Автор: Стронг Д.
Теги: физика математическая физика экспериментальные исследования ленинградское издательство
Год: 1948
Текст
Д. СТРОНГ
///<?лс// ///га
Физического
эксперимента,
Л Е Н И 3 Д АТ • 1948
Spliner
Ц. С ТРОН г
ТЕХНИКА
ФИЗИЧЕСКОГО
ЭКСПЕРИМЕНТА
Перевод с английского
под редакцией Б. А. ОСТРОУМОВА
^профессора Ленинградского государственного
педиатрического медицинского
института
ЛЕНИНГРАДСКОЕ
ГАЗЕТНО-ЖУРНАЛЬНОЕ И КНИЖНОЕ
ИЗДАТЕЛЬСТВО
1948
ПРЕДИСЛОВИЕ
Техника лабораторной работы и физического эксперимента в
настоящее время достигла высокого развития. Не удивительно,
что молодые научные работники, еще не овладевшие навыками
этой работы, часто оказываются в затруднении, когда им при-
ходится самостоятельно решать новые ответственные экспери-
ментальные задачи. В таких случаях они затрачивают непроизво-
дительно свои силы и время.
Предлагаемая вниманию читателя книга, составленная знато-
ками лабораторной техники под руководством авторитетного
экспериментатора д-ра Стронга, должна облегчить нашим моло-
дым специалистам трудную задачу овладения техникой современ-
ного физического эксперимента. Авторы книги Д. Стронг,
А. В. Ниир, А. Е. Уитфорд, С. X. Картрайт и Р. Хайвартд не ста-
вили себе целью изложить бесчисленные и разнообразнейшие
приемы лабораторной работы, получившие ныне широкое при-
знание и применение. Они предполагают, что многими необходи-
мыми сведениями и основными техническими навыками читатели
уже обладают. Авторы книги поэтому стараются, с одной сто-
роны, дать описание лишь новых приемов лабораторной работы,
выдвинутых современным развитием науки, а с другой стороны,—-
указать, как следует организовать лабораторную работу, чтобы
в кратчайшее время и с наименьшими затратами сил и средств
добиться удовлетворительных результатов. Во многих частных
случаях, когда подробное изложение отдельных вопросов грозит
завести их слишком далеко и не укладывается на страницах
общедоступного руководства, они ссылаются на первоисточники.
Появление такой книги на русском языке в настоящее время,
когда в стены наших лабораторий влились новые молодые кадры,
которым приходится решать сложные и ответственные техниче-
ские проблемы иногда в трудных условиях, следует считать
особенно своевременным.
'По инициативе и при поддержке академика С. И. Вавилова
группа ленинградских физиков, специалистов в различных во-
просах практики физического эксперимента, сделала перевод
этой книги и обработала ее текст в соответствии с потребностями
3
наших отечественных лабораторий, наполнив его при этом новыми
материалами.
Вся работа была выполнена под руководством профессора
Б. А. Остроумова, внесшего ряд существенных дополнений.
Работа распределилась следующим образом: переводы отдель-
ных глав были сделаны: Е. И. Шур (гл. I, V и XII), О. Б. Орло-
вой (гл. II), А. Н. Арсеньевой (гл. Ill), А. Н. Арсеньевой и
М. В. Степановой (гл. VI и VII). Л. И. Крамп (гл. VIII и IX),
Н. А. Калу жи новой (гл. X), Л. Я. Хлебниковой (гл. XI), Е. Г. Ба-
рановой (гл. XIII), А. И. Линдеман (гл. XIV и XV) и Т. Н. Кры-
ловой (гл. IV).
Обработка текста главы IX была сделана Л. И. Крамп,
главы XIV и XV—Г. В. Плотицыным. В подготовке всего мате-
риала к печати наибольшее участие приняла Л. И. Крамп.
Конечно, интересы отдельных лабораторий, и тем более от-
дельных лабораторных работников, столь многообразны и разно-
родны, а непрерывное развитие науки и прогресс ее в СССР вы-
двигают столь многочисленные новые и неожиданные задачи, что
исчерпать одной книгой всю проблему рациональной организации
лабораторной работы нет возможности. Но даже та ее область,
которая послужила основой для составления настоящего руко-
водства, несомненно должна заинтересовать весьма широкие круги
наших научно-технических работников, преподавателей вузов
и студентов.
Проф. Б. Остроумов
ГЛАВА I
ОСНОВНЫЕ ПРИЕМЫ СТЕКЛОДУВНОГО МАСТЕРСТВА
Общие указания и инструменты
Основные приемы изготовления стеклодувных изделий, при-
меняемые в лабораторной практике, сводятся к обрезанию, вра-
щению, дутью и сварке. Комбинируя эти приемы, можно из-
готовлять из стеклянных трубочек и палочек довольно сложные
приборы. В настоящее время в лабораторных приборах широко
применяют твердое тугоплавкое стекло „пирекс". Стекло это
для манипулирования представляет большие трудности, чем
мягкое легкоплавкое стекло, так как обладает более высокой
температурой размягчения и поэтому быстрее затвердевает по
удалении его из пламени; однако то обстоятельство, что оно
значительно легче поддается отжигу в силу меньшего термиче-
ского расширения и обладает большей крепостью, заставляет
предпочесть его обычному стеклу.
По своим свойствам стекло пирекс в известной степени похоже
на „молибденовое стекло", названное так потому, что коэфициент
его расширения близок к молибдену и оно дает возможность впаи-
вать непосредственно в стенки сосудов молибденовые проволочки
(вводы). Молибденовое стекло бывает двух сортов: № 35— боро-
силикатное и № 46 — силикат кальция и натрия. Молибденовое
стекло широко распространено в стеклодувных мастерских Совет-
ского Союза, вытесняя так называемое химическое стекло (№ 23)
и легкоплавкие свинцовые стекла.
В каждой лаборатории должен быть запас различного размера
трубок, капилляров и палочек из пирексового или молибденового
стекла, необходимых для сборки сложных приборов.
Кроме того, должен быть еще некоторый запас и другого
стекла, например натриевого, свинцового и стекла „нонекс". Все
это следует тщательно этикетировать и хранить отдельно от
основного стекла, принятого в лаборатории.
На рис. 1 показана лабораторная стеклодувная установка. Для
размягчения стекла обычно применяют горелки с встречным огнем.
Такая установка называется американской, в отличие от немец-
кой, где стеклодувы применяют одинарную мощную односторон-
5
нюю воздуходувную горелку. По сравнению с одинарной, воздухо-
дувные юрелки с встречным пламенем быстрее и равномернее
нагревают стекло. Для многих операций пригоден любой из этих
методов. Однако иногда необходимо применять узкое остроко-
нечное пламя, которое легче получить при помощи одинарной
воздуходувной горелки. Описание горелок дано в главе XII.
Рис. 1. Стол для стеклодувных работ.
1 — ради удобства ручную горелку вешают на горелку со встреч-
ным пламенем; 2— колодка с набором затычек; 3 — подставка для
трубок с грузом; 4 — асбестовые наклейки; 5 — кран в форме „L“ с
резиновой трубкой и мундштуком; 6 — деревянные подставки для
остывания изделий; 7 —горелка со встречным пламенем; 8 — ручная
горелка; 9 — крышка стола покрыта асбестом; 10 — подводка газа;
11 — подводка кислорода. Высота стола позволяет опираться на него
локтями.
В этой книге, где мы описываем преимущественно американ-
ский метод работы, для получения заостренного пламени можно
рекомендовать ручную паяльную горелку, монтированную так,
как показано на рис. 1 пунктирной линией (Л. I, 1, 2).
В качестве горючего в таких горелках применяют природный
или искусственный газ. Для работ с мягким стеклом обычно
используют сжатый воздух; для получения же более высокой
температуры, необходимой для обработки твердого стекла, иногда
применяют смесь кислорода с воздухом. В одинарной воздухо-
дувной горелке в качестве горючего может быть использован
ацетилен в смеси со сжатым воздухом.
Дополнительное оборудование, изображенное на рис. 1, вклю-
чает набор пробок различных размеров; некоторые из них снаб-
жены вставленными в них запаянными стеклянными трубочками,
служащими рукоятками при вращении изделия, в часть же
таких пробок вставлены открытые трубочки для дутья. В этот
набор входят также короткие резиновые трубки, один конец кото-
рых закрыт запаянными стеклянными трубочками; они служат для
закрывания концов узких трубок. Специальное соединение, до-
пускающее вращение трубки с мундштуком и с соединительным
резиновым шлангом, показанное на рис. 1, очень удобно для вы-
дувания больших, требующих непрерывного вращения предметов,
которые иначе неудобно подносить ко рту.
Щипцы и другой формовочный инструмент, применяемый для
обработки стеклянных деталей при их вращении, показаны на
рис. 2. Там же изображен напильник для обрезания маленьких
трубочек и приспособление с накаленной проволочкой, служащее
для обрезания трубок диаметром от 8 до 100 мм. Для заострения
режущих ребер напильника его узкие плоские грани сошлифо-
ваны на корундовом круге. Если напильник требует закалки, то
его нагревают до красного каления и затем опускают в холод-
ную ртуть.
Газ для стеклодувных горелок
Если в лаборатории нет газопровода, соединенного с газовым
заводом, то вопрос об обеспечении стеклодувных работ горючим
может вызвать ряд затруднений.
Проще всего применять так называемый „блаугаз" — горючий
газ, сжатый под сильным давлением (20 атм. и более). Его можно
получать на газовых заводах, при чем порожние баллоны обмени-
ваются на наполненные. Баллоны должны быть снабжены хорошим
редуктором, плавно регулирующим расход газа. После того как
газ израсходован, в баллонах остается небольшое количество го-
рючей легко кипящей жидкости, состоящей обычно главным обра-
зом из амилена. Она может быть использована на 50—60% в кар-
бюраторах взамен легкого авиабензина.
Карбюраторные установки, несмотря на то, что при небрежном
уходе они могут представлять опасность в пожарном отноше-
нии, широко распространены в наших лабораториях.1 Часто они
являются единственным средством питания стеклодувных горелок.
Большие стандартные карбюраторы, которые обычно приме-
няются в химических лабораториях, дают слишком «бедный» газ,
т. е. газ, содержащий слишком большой процент воздуха по
’Сравнению с горючими составными частями его и под недоста-
1 Полезные сведения о карбюраторах можно найти в книге Чмутова: Техника
физико-химического исследования. Москва, Химиздат, 1937. Прим. ред.
7
Рис. 2. Инструменты для стеклодувных работ.
1 — никель толщиной 1,2 мм, высота 25 или 50 мм и основание 25 мм;
2 — железо; 3—дерево; 4 — асбестовый картон, намоченный жид-
ким стеклом и высушенный; 5—железная проволока диаметром
1,2 мм для протыкания отверстий; 6 — графитовый или угольный
стержень диаметром 5—8 мм; 7 — графиговая или угольная пластин-
ка толщиной до 10 мм, высота 60 мм, ширина 35 мм, уплотнение
сделано цементом; 8 —держалка из толстой железной проволоки;
9 — деревянные пластинки на пинцете, длина которого больше
240 мм; 10—проволока из нихрома; 11—конец проволоки для
подбора ее длины по диаметру трубок; 12 — деталь крепления прово-
локи; 13 — трубка из твердого каучука; 14 — гибкий провод н пру-
жина; 15 — подпилок; 16—сошлифованные боковые грани.
очным давлением. Он горит бледным не коптящим пламенем и,,
тоебуя лишь небольшой примеси воздуха или кислорода, не может
дать пламя с высокой температурой, необходимое для обработки
тугоплавких сортов стекла.
У Чтобы получить более „богатый" газ, нужно, с одной стороны,,
пользоваться лишь самыми легкими сортами бензина или его
суррогатами (с максимальным давлением паров), так называемым
авиабензином в смеси с эфиром и т. п., с другой стороны, сосуд,
в котором производится карбюрация, надо обогревать, распо-
лагая его в непосредственной близости от самой горелки.
Конечно, в этом случае приходится пользоваться переносным
карбюратором, погружаемым в горячую воду. Устройство таких
карбюраторов неоднократно описывалось в нашей технической
литературе. Следует только еще раз отметить необходимость
крайней осторожности в обращении с этими приборами. В част-
ности, совершенно недопустимо обогревание их электрическими
плитками, так как в этих условиях авария рано или поздно-
неизбежна.
Горелка П. М. Немзера
При отсутствии горючего можно воспользоваться горелкой
с перегретым паром, сконструированной инженером П. М. Немзе-
ром в Ленинградском пе шатрическом медицинском институте.
Ее можно отрегулировать для работы на разных сортах жид-
кого горючего (например, на керосине), необходимо только,
чтобы при высокой температуре горючее, по возможности, мало
осмолялось. Эскиз этой горелки изображен на рис. 3. Она пред-
ставляет собой обычную стеклодувную горелку (типа крана Да-
ниеля, см. глава XII), к которой снизу непосредственно приклю-
чается перегреватель в форме цилиндрической трубки, обогревае-
мой электрическим током. В него сквозь тонкую трубку поступает
жидкость под давлением воздуха, как в примусе. Трубочка
заканчивается в середине перегревателя, и потому жидкость уже
в этой трубочке согревается до температуры кипения, а пары
при соприкосновении со стенками перегреваются до надлежащей
температуры и приобретают надлежащее давление. Если давле-
ние получится слишком большое (больше давления воздуха
в сосуде), подача жидкости прекращается, а пар, поступая об-
ратно в сосуд с жидкостью, конденсируется (как в примусе),,
и давление снижается.
Температуру нагрева в соответствии с качеством жидкого
горючего подбирают опытным путем. Необходимо сначала вклю-
чить ток и разогреть цилиндр, а уже потом начинать накачивать
воздух. В противном случае жидкость скопится в нижней части
Цилиндра, и горение не будет равномерным. Вообще работа
с этой горелкой требует навыка и аккуратности. В случае осмо-
ления пароперегреватель можно развинтить и очистить.
Рис. 3. Горелка инж. П. М. Немзера.
резервуар"от”примуса; 2—узкая трубка 0 4 мм; 3 —широкая 0 22 мм; 4 —фланцы с упру-
гой шайбой; 5 — подача сжатого воздуха; 6 — сопло; 7 — колпачки; 8 — обмотка нагревательная;
9 — тонкая слюдяная изоляция между трубкой и обмоткой; 10 — тепловая изоляция из асбеста;
11 — плиты для крепления горелки к столу; 12 —кран, регулирующий подачу газа, с фланцем.
Горелка Немзера настолько проста, что ее можно изготовить
в любой мастерской. На рисунке указаны все главнейшие раз-
меры, по которым можно легко изготовить рабочие чертежи. Для
обогревания необходима обмотка, рассчитанная на 400—500 ватт.
Эта мощность необходима только в начале работы, пока не будет
достигнута надлежащая температура, потом мощность необхо-
димо снизить и установить рабочий режим с помощью реостата
в соответствии с рабочим пламенем.
Дутье
Для стеклодувных горелок необходим сжатый воздух, а иногда
и сжатый кислород. Сжатый воздух можно получить от компрес-
сорной установки или, если таковой нет, от специальных воздухо-
дувок, приводимых в движение мотором. На рис. 4 изображен
эскизный чертеж одной из простейших воздуходувок, которую
можно изготовить по заказу. При тех основных размерах, кото-
рые указаны на чертеже, и при 600 оборотах в минуту эта
воздуходувка дает до lls м3 воздуха в минуту и обеспечивает
давление до 1/2 и более атмосфер.
Такая воздуходувка требует минимального ухода и месяцами
может работать без ремонта. Однако для этого необходимо,
чтобы ее части были хорошо изготовлены и пригнаны друг к другу.
В частности, лопаточки должны быть изготовлены из жест-
кой алюминиевой бронзы или, в крайнем случае, из хорошей стали,
если корпус и ротор отлиты из ковкого чугуна. Обычно она
выходит из строя вследствие заедания лопаток в пазах, что
мешает им быстро выдвигаться из ротора и плотно прижиматься
к стенкам статора. Лучше работают воздуходувки, у которых
отношение диаметра ротора к внутреннему диаметру статора не
меньше 5:6. При меньшем отношении заедание происходит чаще,
и воздуходувка сильно стучит. Если в воздуходувку попадает
запыленный воздух, то могут сработаться края лопаток, а в ста-
торе образоваться канавки, которые начнут пропускать воздух,
снижая производительность. В этом случае воздуходувка тре-
бует капитального ремонта. Она приводится в движение мотором
в х/2 кет с помощью плоского ремня, который должен быть хоро-
шо натянут и не давать большого скольжения.
На трубе, ведущей к горелкам непосредственно за воздухо-
дувкой, должен быть установлен баллон емкостью не менее
20—40 л, предназначенный для выравнивания пульсаций давления.
При малом расходе сжатого воздуха, когда требуется получить
максимальное давление, между воздуходувкой и баллоном иногда
бывает полезно поместить легкий клапан, препятствующий возвра-
щению воздуха из трубопровода. При большом числе оборотов
и достаточных размерах уравнительного баллона надобность
в клапане отпадает. Необходимо следить за смазкой и при непре-
рывной работе время от времени ее обновлять.
И
~2Ч0 —-------------
Рис. 4. Воздуходувка.
Расширение $ мм/метр.
Рис. 5. Расширение от нагревания различных материалов .
стеклодувного производства.
л — ип^?П!,Ний’-7 2 —меЛь'. 3—никели 4 — железо; 5 —магнезит;
9 — Леонико II- W °КИ? а,л*°ми“,’‘ (зинтеР'К0РУ1’Л); 8 - фернико I;
« молиблеи; 11—вольфрам; 12- нонекс; 13 — пи-
известковое^С-8У{б.®рлиискии); 15 - плавленый кварц; 16 — стекло
известковое (0-8); 17 — стекло свинцовое (G-5); 18 — стекло (G-705);
19 — инвар.
При отсутствии воздуходувки изготовление мелких стеклян-
ных изделий и пайку частей больших установок можно осуще-
ствлять при помощи ножного меха или даже центробежного
вентилятора от небольшого переносного кузнечного горна; при
этом необходимо учитывать, что этим путем можно обеспечить
лишь относительно небольшое давление воздуха.
Кислород для горелок
Сжатый кислород приобретают в баллонах, снабженных
стандартными редукторами; однако эти редукторы, рассчитанные
на мощные специальные технические горелки, не позволяют
управлять давлением и снижать его до той величины, которая
нужна в стеклодувном деле. Необходимо поэтому озаботиться
подбором надлежащего редуктора.
Рекомендуется избегать питания горелок от двух баллонов—
одного с кислородом, другого с горючим газом. При некоторых
режимах горелки газ из одного баллона может проникнуть
в другой, в результате чего образуется взрывчатая смесь.
Упругое
йостоуние
Вязкое состояние
JeMnepamypqk Точка, i -4-
отжига когоаХснятия i вязкость еще
уатяжения иечМ^жм'может мешать
зают через [криотализацои
Предел когда темпе
\pamypa еще дотаточна''-
оля растворения мелких
Точки
плавления
Рис. 6. Вязкость стекла при разных температурах.
14
Некоторые физические свойства стекла
Данные о термическом расширении различных стекол и металлов
приведены в таблице 1 и на рис. 5. Характерные температуры для
стекла и для плавленого кварца даны в табл. 2.
Таблица 1
Коэфициенты термического расширения
Материал 1. Керамика Мягкое химическое стекло № 58 (№ 23) . . Известковое стекло Свинцовое стекло Нонекс Фарфор (20° до 250°С) Пирекс Кварцевое стекло (16° до 1000°С) Молибденовое стекло 2. Металлы Медь • Платина Металл „думет"1 —сплав железа с никелем, по- крытый медью; Расширение радиальное „ осевое Фернико и Ковар; 25° до 450°С ..... 25° до 500°С Молибден Вольфрам Козфициент расширения (Х10’)
66—90 92 90 36 41 32 5,8 40-60 162 91 80-100 61-65 47 56 56 47
1 Подобные сплавы для вводов иногда называют „платинит" (потому что
они заменяют платину для электродов, впаянных в стекло).
Таблица 2
Характерные температуры для стекла и кварца
Материал Температура деформирования °C Температура отжига °C Рабочая тем- пература
Мягкое стекло . . . Нонекс Пирекс Кварц Молибденовое . . . 389 486 503 1020 526-550 425 521 550 1120 580-650 600- 800 700-1000 750- 1100 1756-1800 650- 780
15
Изменение вязкости с температурой для типового стекла
показано на рис. 6. Вязкости, соответствующие важнейшим
характерным температурам — температуре отпуска, температуре
отжига, рабочей температуре и температуре плавления,— указаны
на кривой рис. 6. Первые две из этих температур характеризуют
такое состояние стекла, что при первой внутреннее напряжение
снижается в течение приблизительно четырехчасового нагревания,
тогда как при второй, т. е. при температуре отжига, для этого
достаточно нагревания в течение 4 мин. При температуре, со-
ответствующей пределу отпуска (предел текучести), вязкость
равна около 1013 пуазы; при температуре отжига она оказывается
около 1012 пуазы (начало второго рабочего интервала). При
рабочих температурах вязкость колеблется в пределах 105—1О10
пуаз, с оптимумом рабочей вязкости при 108-6 пуаз. Стекло
считается расплавившимся, если вязкость его стала меньше
102 пуазы1.
Обрезка трубок и бутылей
Для того чтобы от тонкой (диаметром до 12 мм) стеклянной
трубки отрезать нужный кусок, необходимо провести по ней
ребром напильника черту в несколько миллиметров длины. Эта
Рис. 7. Разламывание трубки по разрезу.
1 —царапина подпилком.
черта должна быть строго перпендикулярна к осевой линии
трубки. Затем трубку разламывают, слегка изгибая ее и сильно
растягивая в стороны, как показано на рис. 7.
Короткие куски трубки могут быть просто отбиты легким
ударом напильника по нанесенной черте, как показано на рис. 8.
Этот прием особенно удобен в тех случаях, когда трубка
еще горячая или когда она должна быть обрезана у самого
конца.
1 Свойства стекла и способы его обработки подробно описаны в следующих
книгах: В. Эспе и М. Кноль, Технология электровакуумных материалов. Москва,
Оборонгиз, 1939; Китайгородский, Технология стекла, I. Технология стекло?
массы, II. Технология стеклоизделий. Москва, Гизлегпром, 1939; Б. Блюм-
«берг, Введение в физическую химию стекла. Ленинград, Гизхимпром, 1939.
Прим. ред.
16
Рис. 8. Надрезывание трубки
подпилком
1 — царапина подпилком.
Трубки сечением больше 12 мм
требуют применения других техниче-
ских приемов: тонкостенные трубки
могут быть обрезаны после нанесения
напильником более длинной попереч-
ной черточки, если к одному концу
этой черточки прижать сильно нагре-
тую (почти до плавления) стеклянную
палочку.
Полученная при этом поперечная
трещина может быть полной — по всей
окружности стекла — или охватывать
его частично. В последнем случае тре-
щину надо довести до конца повтор-
ными приложениями расплавленного
кончика стеклянной палочки точно
к концу трещины, заставляя ее таким
образом распространяться все дальше
и дальше.
Толстостенные трубки или бутыли диаметром в несколько
десятков миллиметров обрезают следующим образом: сперва
напильником проводят по всей окружности тонкую черту. В каче-
стве направляющей для напильника при нанесении этой метки
может быть использован кусок плотной бумаги или обернутый
вокруг трубки картон. Проволоку от приспособления, изображен-
ного на рис. 2, плотно обвивают вокруг трубки, точно вдоль
черты, по возможности попадая в самую черту. Концы проволоки
не должны, конечно, между собой соприкасаться. Потом по про-
волоке пропускают электрический ток, регулируемый реостатом,
так, чтобы она на несколько секунд накалилась докрасна. Затем
к метке и к проволоке прикладывают влажный тампон ваты.
В результате разности температур получается очень правильная
трещина вдоль черты по всей окружности. Небольшие неров-
ности краев трещины сглаживают шлифовкой крупным карборун-
дом с водой на толстой пластинке латуни или же, после раз-
мягчения в пламени, их можно снять щипцами или обрезать
ножницами, а потом оплавить.
Очистка и мытье
Загрязненное стекло нельзя хорошо сварить. Поэтому после
нарезки кусков их необходимо очистить. Иногда для этого до-
статочно промыть их водой; в случае необходимости воду сле-
дует заменить азотной кислотой. Если трубки загрязнены жиром
и смолами, приходится прибегать к горячей хромовой кислоте
(промывочный раствор). Воду после тщательного ополаскивания
стеклянных трубок удаляют, протирая их с нагмжной стороны
чистой тряпочкой, а изнутри — пыжом из ваты, который протяги
2 Стронг
17
вают при помощи бечевки или проталкивают воздухом. Если же
трубка должна быть особенно чистой и она промывалась дестил-
лированной водой, ее можно высушить продуванием водяным
аспиратором с водоструйным насосом, при легком нагревании
горелкой.
Подогрев
Толстостенные стеклянные трубки и главным образом боль-
шие стеклянные аппараты, до того как их подвергать интенсив-
ному местному нагреванию (горелками со встречным пламенем
или ручной горелкой), необходимо тщательно прогревать.
Обычно применяют два способа прогрева.
Первый из них состоит в том, что изделия сначала слабо
нагревают „холодным" пламенем горелки Мекера с закрытым
притоком воздуха. По мере повышения температуры стекла при-
ток воздуха к горелке Мекера постепенно усиливают, получая
таким образом все более и более горячее пламя. После такого
основательного прогрева изделия со всех его сторон, можно уже
без риска подвергнуть его действию интенсивного местного на-
гревания с помощью горелки со встречным пламенем или с по-
мощью паяльной лампы.
Другой способ прогрева состоит в том, что часть изделия
кратковременно (доли секунды) нагревают встречным пламенем;
после чего его быстро извлекают из огня, чтобы дать выров-
няться температуре, а затем через несколько секунд такой же
операции подвергают другую часть изделия. Операцию эту по-
вторяют до тех пор, пока температура всего изделия не повы-
сится равномерно. По мере последовательных прогревов удли-
няют интервалы, в течение которых изделие подвергается дей-
ствию пламени, и укорачивают время пребывания его вне сферы
огня, пока изделие не будет доведено до такой температуры,
при которой оно станет выделять такое количество паров натрия,
чтобы пламя окрашивалось в желтый цвет. Эта проба на натрий
указывает температуру, при которой можно уже уверенно при-
ступить к другим приемам обработки: к усадке, дутью, формовке
и т. д. Некоторые изделия, в частности трубки, требуют подо-
гревания не целиком, а лишь той зоны, которая примыкает
к подлежащей обработке части, остальная часть может оста-
ваться холодной.
Вращение изделий
Вращение — это основной прием работы стеклодува. Оно
должно производиться равномерно, при координированном дей-
ствии обеих рук. Если стекло правильно вращать в пламени,
оно размягчается равномерно, и действие тяжести распределяется
па нем симметрично.
18
На воздухе нижние поверхности стекла остывают быстрее,
чем верхние. Поэтому существенно продолжить равномерное
вращение даже после вынимания изделия из пламени.
Начинающий обычно испытывает затруднения при манипули-
ровании с изделиями в пламени, особенно, когда размягченное
стекло между двумя холодными частями его, находящимися по
обе стороны "пламени, не может уже обеспечить жесткой меха-
нической связи между ними и начнет прогибаться; изделие тогда
может пойти в брак, потеряв всю свою ценность.
Гис. 9. Разогревание трубки.
Во избежание этого рекомендуется предварительно напракти-
коваться вращать не изделие соответствующей формы, а модель,
состоящую из двух стеклянных трубочек, соединенных доста-
точно плотной, но гибкой полотняной полоской. Начинающий
лаборант должен научиться вращать модель обеими руками, как
показано на рис. 9, так, чтобы полоска не съеживалась и не
закручивалась, не подвергалась сжатию или сильному натяже-
нию. Только после этого он может приступить к вращению
изделий в пламени.
Вращение производится большими и указательными пальцами
обеих рук с таким расчетом, чтобы даже, несмотря на возмож-
ное различие в диаметрах обоих концов изделия, каждая из
сторон зоны размягчения вращалась совершенно синхронно. Вра-
щение должно составиться из ряда поворотов на угол при-
мерно в 45°. В левой руке должна находиться более тяжелая
часть изделия, тогда как правая манипулирует с более легкой
частью за зоной размягчения. Таким образом, на правую руку
возлагается хотя и более легкая, но и более ответственная за-
дача, так как она должна вращать свою часть совершенно син-
хронно с левой без всяких натяжений или нажатий на размяг-
ченную среднюю часть изделия. Руки надо держать так, как
показано на рис. 9, чтобы облегчить возможность время от
времени подносить правый конец изделия к губам для разду-
вания.
2*
Сгибание трубок
Трубка, которую надлежит согнуть, должна нагреваться го*
редкой со встречным пламенем при непрерывном вращении до
тех пор, пока стекло совершенно не размягчится на протяжении
равном нескольким диаметрам. Тогда трубку быстро вынимают
из огня и сгибают на требуемый угол, повернув изгибом вниз,
как показано на рис. 10. Так как широкие трубки трудно на-
1
Рис. 11. Свертывание трубки
спиралью для холодильника.
1 — металлическая болванка, облеп-
ленная асбестом с жидким стеклом;
2—ручная горелка, закрепленная так,
чтобы обе руки были свободны.
греть равномерно, у них часто получаются дефекты в сгибах.
Эти дефекты бывают и в узких трубках, особенно в тонкостен-
ных, которые нужно сгибать под острым углом. Иногда полу-
чившиеся дефекты можно исправить местным нагреванием узким
пламенем и раздуванием. Если нагревать стенку трубки с одной
стороны до размягчения, то общая форма сгиба сохранится, под-
держиваемая частью стенки, лежащей с противоположной сто-
роны от нагретой. Если наружная сторона обнаруживает тенден-
цию к сплющиванию, как показано на рис. 10 Ь, то этот дефект
можно исправить раздуванием трубки, пока стекло еще мягкое.
Когда же на внутренней поверхности трубки образуется складка,
как показано на рис. 10 с, то дефектное место следует нагревать
узким пламенем и чередовать стягивание с раздуванием до тех
пор, пока изгиб не станет равномерным.
После подобных исправлений место сгиба следует подвергнуть
общему обогреванию для отжига и снятия натяжений.
20
Стеклянную спираль изготовляют на оправке. Оправку делают
обычно из стальной или латунной трубки, плотно обернутой
влажным тонким асбестовым картоном, при чем крат картона,
заходящие один на другой, склеивают небольшим количеством
житного стекла (силикатом натрия). После того как клей вы-
сохнет, шов надо протереть стеклянной бумагой. Для того чтобы
стекло не прилипало к асбесту, последний необходимо покрыть
несколькими плотными слоями печной сажи или размельченного
угля. Зарубки на торце в стенках стальной трубки обеспечивают
натяжение спирали и ее плотное прилегание к оправке. Операцию
эту иллюстрируем рис. 11.
Стягивание стекла
тывание краев на конце трубки.
1 — отрезание трубки; 2 — стягивание
отверстия; 3— встречное пламя го-
релки; 4 — расширение отверстия; 5—
пинцет; 6 — cthi ивание края для заты-
кания пробки.
Когда размягченное стекло находится почти в жидком со-
стоянии, поверхностное натяжение стремится так его деформи-
ровать, что общая его поверхность
уменьшается. Стягивание ограничи-
вается вязкостью стекла. Это ограни-
чение оказывается сильнее при нижнем
пределе рабочего интервала темпера-
ратур. Стягивание может вызвать как
желательные, так и нежелательные из-
менения формы изделий и регули-
руется применением растягивающих
инструментов и раздуванием. На рис.
12 показано, как пользуются пинцетом,
чтобы устранить нежелательную тен-
денцию. Конец трубки сократится в
диаметре после необходимого утол-
щения стенок, которое достигнуто за
счет стягивания стекла при нагреве
цо высокой температуры.
Отжиг
Отжиг сложных готовых изде-
лий—-одна из наиболее трудных и
ответственных операций стеклодувного дела. При неправиль-
ном отжиге и охлаждении изделия лопаются или дальнейшая
обработка изделия становится невозможной. Цель отжига —
охладить стекло от температуры обработки до комнатной, со-
здавая при этом лишь самое минимальное внутреннее натяжение.
Если во время постепенного охлаждения температура во всех
част lx изделия оказывается одинаковой и спадает постепенно,
отжиг проведен правильно. Большие сложные предметы должны
подвергаться обжигу в специальных печах с регулировкой темпе--
Ратуры. Мелкие изделия со стенками одинаковой толщины можно
21
с успехом отжигать и с помощью горелки Мекера или горелки
со встречным пламенем. Когда все манипуляции при изготовлении
уже закончены, все изделие нагревают до тех пор, пока его
температура не поднимется выше температуры отжига. Тогда
температуру постепенно понижают, осуществляя процесс подо-
грева в обратной последовательности. Весьма существенно, чтобы
во время охлаждения температура всех частей изделий была
одинаковой; для этого прибегают к специальному подогреву тех
частей, которые обнаруживают склонность к более быстрому
охлаждению, потому ли что они тоньше или же потому, что они
вследствие своеобразия формы подвержены большим потерям
тепла за счет излучения или конвекции. Когда убеждаются, что
температура стала значительно ниже точки размягчения, изделие
можно окончательно охладить на воздухе в месте, защищенном
от тяги или сквозняков.
Вытягивание капилляра
Вытягивание капилляра заключается в нагревании трубки на
огне и вытягивании ее с тем, чтобы получить суживающийся
капилляр длиною обычно от 50 до 150 мм и более (рис. 13). На-
значение такого капилляра — различное. Он может служить или
рукояткою (ручкою) для вращения, или, если у него срезать го-
ловку,— мундштуком для дутья. Его можно применить также
и для затыкания отверстий в готовых изделиях. Таким образом,
вытягивание капилляра — вспомогательный прием для целого
ряда других операций.
Предположим, что для сборки какого-нибудь прибора необхо-
димо вытянуть кусок трубки с обоих концов, при чем для этого
нужно взять длинную запасную трубку. Сначала вытягивают
капилляр с одного конца на цельной трубке. Если трубка очень
длинна, то ее кладут с левой стороны на подставку, как пока-
зано на рис. 13 а.
Подогревая трубку указанным выше способом, стенки ее на
небольшом расстоянии (несколько диаметров) от конца размяг-
чают; затем трубку извлекают из огня при помощи щипцов
и, непрерывно вращая, размягченную часть ее вытягивают, как
показано на рис. 13 Ь. Капиллярную часть запаивают посередине
(рис. 13 с); если же кончик предназначен для применения в ка-
честве мундштука для раздувания, его отрезают и слегка оплав-
ляют края, подвергая их кратковременному действию пламени.
Затем трубку нагревают до размягчения на надлежащем рас-
стоянии от первого капилляра и оттягивают отмеренную часть,
образуя на ней таким образом второй капилляр. Весьма важно,
чтобы стенки капилляров получились совершенно симметричными
по отношению к оси трубки. Ошибки при этом могут быть
иногда исправлены нагреванием до размягчения заплечиков ка-
22
Рис. 13. Отпаивание трубки.
1 — пинцет; 2 — расплавление капилляра; 3 —
отпайка; 4—стягивание горлышка;5 —расплав-
ление перемычки; 6 — стеклянная палочка; 7 —
удаление капли стекла; 8 — втягивание и утол-
щение донышка; 9 — выдувание полушаровой
формы конца.
пилляра и растягивания стекла за конец капилляра. При таких
исправлениях рекомендуется вести обработку стекла при более
низкой температуре.
Запаивание трубки
Вытягивание капилляра—первая операция при запаивании
трубки (от рис. 13 d до 13 h). Сначала отпаивают кончик, пользуясь
острым пламенем (рис. 13 d и е), при чем избыток стекла уда-
ляют с головки щипцами или лучше кусочком стеклянной па-
лочки (рис. 13 /). Затем головку нагревают для накопления
стекла за счет стягивания и под конец раздувают ее в полу-
сферу (рис. 13 ti). Обычно для этой операции пользуются ручной
горелкой (паяльной лампой).
23
Рис. 14. Получение плоского
фланца.
1 — удаление капли стекла; 2 — разогре-
вание донышка; 3 — выдувание пузыря;
А — обламывание стенок пузыря; 5—стя-
гивание отверстия; 6 —пинцет; 7 —рас-
ширенш до прежнего диаметра; 8 — раз-
вертывание краев; 9 — выравнивание плос-
кости фланка угольной пластинкой; 10 —
окончательный вид.
Обрезка трубки в пламени
Первой операцией при обреза-
нии трубок в пламени является вы-
тягивание капилляра. Затем снимают
кончик (рис. 13 d и е), а избыток
стекла удаляют (рис. 14-/). После
этого запаянный конец сильно на-
гревают (рис. 14-2) и сильным то-
ком воздуха выдувают тонкостен-
ный пузырь (рис. 14-3), который
обламывают при помощи напильника
или щипцами, как показано на рис.
14-4. Края трубки нагревают для
усадки и утолщения их до соответ-
ствующих размеров. Диаметр рас-
ширяют, растягивая отверстие щип-
цами или плоским клином (рис. 14-
7 и 3). Щипцы надо вводить в от-
верстие осторожно и при непре-
рывном вращении стекла в пламени,
чтобы растяжение последнего про-
исходило медленно. Затем конец
трубки сглаживают при помощи
угольной пластинки (рис. 14-9).
Если необходимо загнуть наружу
фланец, то конец трубки расши-
ряют и разворачивают специальной
разверткой и сглаживают угольной
пластинкой, как показано на фи-
гурах 9 и /9 рис. 14. Металлические
инструменты для загибания края
полезно смазывать слегка пчелиным
воском, во избежание прилипания
к мягкому стеклу.
Подготовка к спаиванию
Тщательное промывание стек-
лянной трубки и аккуратное вы-
полнение всех предварительных
операций по обрезке, загибанию
фланцев, вытягиванию и расшире-
нию отверстий облегчают дальнейшие манипуляции в пламени.
Неопытные стеклодувы часто ошибаются, полагая, что дефекты,
допущенные при этих операциях, можно легко исправить, когда
изделие будет подвергнуто действию огня. Весьма показательно,
что опытный стеклодув никогда не осложняет свою работу
небрежностью при этих предварительных операциях.
21
Отдельные части, подлежащие спа-
иванию, должны иметь один и тот же
тиаметр, а я'Аггем одинаковую тол-
щину. Если возникает необходимость
присоединить широкую трубку к уз-
кой, то соединяемые части нужно
подготовить так, как показано на
рис. 15 а. сначала вытягивают капил-
ляр, а затем его обрезают в пламени
в том месте, где плечики капилляра
имеют такой же диаметр, как у узкой
трубки-
Капилляры или толстостенные
трубки подготовляют к спаиванию так,
как показано на рис. 15 Ь. Для этого
их нагревают' до размягчения, разду-
вают до тех пор, пока стенки не при-
обретут надлежащую толщину, а за-
тем вытягивают так, чтобы диаметр
раздутого места сравнялся с диамет-
ром трубки, к которой они должны
быть припаяны.
Баллон или цилиндр, к которому
должна быть припаяна узкая трубка,
должен быть предварительно весь по-
догрет. После этого пламя сначала
слабое, а потом более сильное на-
правляют па тот участок трубки,
который предназначен для спайки.
Этот участок надо подвергать дей-
ствию пламени до тех пор, пока он
не размягчится и на нем не обра-
зуется небольшое возвышение (рис.
16 а и Ь). Верхушку отдулины нагре-
вают кончиком острого пламени (рис.
16 Ь). Затем, удалив пламя, выдувают
небольшой тонкостенный пузырь (рис.
16 с), который затем надо отломать
щипцами или напильником. Края по-
лученного таким образом отверстия
снова размягчают на огне, загибают
кромку при помощи конусообразной
развертки из угля и сглаживают уголь-
ной пластинкой (рис. 16 d—h).
Прямая трубка подготовляется к
спаиванию тройников вскрыванием с
одной стороны отверстия, как было
указано выше.
Рис. 15. Подготовка трубок
разного диаметра к соедине-
нию.
Рис. 16. Изготовление тройника.
а — разогревание стенки; Ь— раздува-
ние разогретого места; с — выдувание
пузыря в нагретом месте; d—обламы-
вание стенок пузыря; е — утолщепи"
краев отверстия; /—развертывание
отверстия угольным стержнем для
утолщения краев; g— выравнивание
краев угольной пластинкой; h — от-
версти” готово.
25
Если необходимо сделать большое число тройников, полезно
применять для обеспечения прямизны трубки специальный суп-
порт (зажим), который изображен на рис. 17.
Рис. 17. Держатель для
изготовления тройника.
1 — асбестовые прокладки; 2 —
упругие зажимы.
Рис. 18. Изготовление
тройника.
U-образные тройники изготовляют, сгибая сначала трубку
под острым углом, который затем вскрывают у вершины, как
показано на рис. 18.
Спайка
Спаиваемые части нагревают при непрерывном вращении
в пламени, диаметр которого должен приблизительно равняться
диаметру спаиваемых трубок. Трубки должны быть направлены
впритык друг к другу, как показано на рис. 19, при чем ось
спая должна быть перпендикулярна оси пламени. Когда кончики
трубок достаточно размягчатся, их снимают с огня и приводят
в соприкосновение друг с другом под прямым углом, как ука-
зано на рис. 19-2. Этот первый контакт служит для 'достижения
устойчивости рук, когда трубки потом приводятся в надлежащее
положение и сжимаются (рис. 19-3). После этого, не прерывая
вращения, спай подвергают действию пламени до тех пор, пока
под влиянием стягивания диаметр его не выравняется с внешним
диаметром трубки 4. После этого спай вынимают из огня и раз-
дувают, пока толщина его стенок не достигнет толщины стенок
трубки; затем спай быстро вытягивают до получения вдоль
спая наружного диаметра, одинакового с диаметром трубок 5 и 6,
26
Поскольку необходимо раздувать спай, все отверстия труоки,
исключением того, которое должно быть приложено к губам,
следует временно закрыть.
• Если возникает необходимость спаять широкие трубки, то их
предварительно надо снабдить небольшими фланцами. При
спаивании частей прибора, который нельзя вращать в пламени,
г Рис. 19. Спаивание узких трубок.
1 — нагревание спаиваемых концов; 2 — первое
соприкосновение; 3 — прижимание друг к другу;
4 — стягивание до прежнего диаметра; 5 —разду-
вание до прежней толщины стенок; 6 — вытяги-
вание до окончательной формы.
сглаженные края обеих частей спая точно подгоняют друг к другу
и постепенно нагревают вдоль отдельных участков окружности
по краям фланцев (рис. 20). После этого само спаивание фланцев
осуществляют путем сжимания их щипцами последовательно
вдоль всей окружности и подогревая при этом ручной горелкой,
как изображено на рис. 20. Затем спай прогревают небольшими
участками окружности до тех пор, пока он не размягчится;
размягченную часть обрабатывают, чередуя стягивание и раз-
дувание, пока стенка не выровняется. Затем широким пламенем
равномерно нагревают всю окружность для окончательного
Раздувания, выравнивания линии спая и отжига.
27
Кольцевая спайка
Если трубка, предназначенная для спаивания, должна входить
внутрь баллона или в более широкую трубку, производят кольце-
вую спайку, соединяя стенку трубки с краем отверстия в баллоне
или с краем широкой трубки. Для этого сначала тщательно
Формуют, подгоняют край отверстия при помощи угольной
Рис.'21. Изготовление водоструйного насоса.
1—Еыдувяние расширения; 2—кон’Ц открыт для дутья; 3—асбестовая пробка для фиксирования
внутренней трубки; 4—законченный кольцевой впай; 5 —деревянный стержень для фиксирования
второй трубки.
развертки так, чтобы оно было чуть-чуть больше внешнего
диаметра впаиваемой узкой трубки. Узкую трубку подготовляют
к спаиванию, нагревая небольшую зону ее по окружности острым
пламенем и слегка раздувая ее, как показано на рис. 21-/. Для
этого в нее вдувают воздух, слегка сжимая ее при этом. Затем
узкую трубку вставляют в более широкую и поддерживают ее
строго концентрически по отношению к последней при помощи
какой-нибудь подходящей подложки, например ролика из
асбестового картона, вставленного в широкую трубку, как показано
на рис. 21-3. Место спая подогревают острым пламенем при
непрерывном вращении, пока стекло вокруг кольца будущего
спая не размягчится. Затем производят соединение, надвигая
утолщенную часть узкой трубки на стянутое отверстие более
широкой трубки. Все изделие затем вынимают из огня, раздувают
28
ыоавнивают спай в линию, слегка вытаскивая и вталкивая
Изкую тпубку. На рис. 21-5 изображено устройство водоструйного
Уасоса, который требует двух кольцевых спаев. Заточенный на
плотно входящий в первую трубку,
конце деревянный стержень,
Рис. 22. Впаивание трубки изнутри.
центрирует вторую во время запаивания. Кольцевая спайка
требует всегда особо тщательного отжига.
Другой метод кольцевой спайки, особенно удобный для про-
пускания узкой трубки сквозь боковое отверстие в более широкой,
изображен на рис. 22. На внутренней части впаиваемой узкой
трубки делают фланец и загибают его так, чтобы он был точно
пригнан с внутренней стороны к стенке широкой трубки. Потом
их приводят в соприкосновение друг с другом, как показано
на рис. 22 а. Часть наружной стенки широкой трубки, непосред-
ственно прилегающую к месту соприкосновения с внутренней,
нагревают до полного спаивания обеих трубок. Образующееся
при этом возвышение раздувают в пузырь и вскрывают острым
пламенем в центре спая, как показано на рис. 22 b и с. Обра
зовавшееся отверстие развертывают и подгоняют к размерам
узкой трубки, присоединение которой образует продолжение
внутренней трубки (рис. 22 с и d}.
Выдувание шариков
Выдувание больших шариков (диаметром 50 мм и более)
довольно сложная операция. При ее осуществлении необходимо
равномерное нагревание в пламени больших и тяжелых порций
Размягченного стекла. Это надо делать умело, чтобы обеспечить
Равномерное охлаждение шарика воздухом. Принимая во внима-
29
ние эти трудности, целесообразно пользоваться для приготовле-*
ния шарообразных приборов покупными шарообразными сосудами,
а не трубками. Изготовление небольших шариков, диаметром
до 25-30 мм, значительно проще и легче. Выдувание шариков
производят следующим образом: запаянный конец трубки надо
нагревать до тех пор, пока стекло не соберется на нем, как
J*M€. 23. Выдувание пиринг
на конце трубки.
Рис. 24. Выдувание шарика посередине
трубки.
показано на рис. 23 а. После этого его раздувают и дают
стягиваться, чтобы оно распределялось равномерно на расширив-
шемся конце до тех пор, пока его не накопится достаточ-
ное количество, чтобы выдуть шарик. Тогда скопившееся
стекло нагревают равномерно до размягчения и извлекают
из пламени.
В течение нескольких секунд трубку вращают вокруг гори-
зонтальной оси и при этом раздувают через мундштук. Воздух
вдувают сначала слабо, а потом, по мере того как стекло стано-
вится более жестким, дутье усиливают. При этом шарик все
время вращают. Если одна часть поверхности обнаруживает
склонность к большему растягиванию, чем другие части,
ее поворачивают вниз и дают остыть, чтобы остановить
расширение.
Для выдувания шарика не в конце, а посередине трубки,
в нужных частях ее накапливают стекло, как описано выше, до
тех пор, пока процесс этот не охватит несколько смежных уча-
30
стков, как показано на рис. 24 л, b и с. тогда раздуванием и стяги-
ванием их соединяют в одну сплошную зону (рис. 24 d), которую
основательно прогревают. Потом извлекают из огня, дают на момент
л?па литься и быстро раздувают до получения баллончика желае-
мой формы (рис. 24 е).
Стягивание сужений в трубках
В лабораторной практике чаще всего требуются два типа
сужений. Один из них удобен для предупреждения перетекания
по инерции ртути в манометрическую трубку при внезапном изме-
нении давления. Он сужает внутренний просвет, но сохраняет
наружный диаметр трубки. Второй предназначен для облегчения
отпайки приборов от вакуумной системы и имеет одинаковую
толщину стенок.
Для получения того и другого типа сужений стеклянную
трубку, подлежащую сужению, нагревают и добиваются утол-
щения стенок.
Это в сущности та же операция, что и предварительный про-
цесс при выдувании шарика посередине трубки (рис. 24 а). Когда
утолщение стенок будет достигнуто, стекло вынимают из огня
и вытягивают, непрерывно вращая, а не раздувают как для
баллона. Для получения сужения первого типа трубку вытягивают,
пока на всей ее длине внешний диаметр не станет одинаковым,
тогда как для получения сужения второго типа трубку вытяги-
вают, добиваясь при этом одинаковой толщины стенки.
Исправление дефектов
Вследствие погрешностей манипулирования, стенки стеклянных
аппаратов оказываются разной толщины. Это не только портит
внешний вид готового прибора, но увеличивает трудности от-
жига, поскольку различная толщина стенок трубки обусловливает
различную скорость их охлаждения, что вызывает появление
напряжений в стекле.
Излишек стекла, сосредоточенный на небольшом участке
стенки прибора, может быть снят при помощи палочки, как это
было изображено на рис. 14-7. После удаления излишка стекла,
участок этот обрабатывают раздуванием и стягиванием, пока
толщина стенки не выровняется. С другой стороны, если стенка
какого-нибудь маленького участка слишком тонка, можно туда
перенести стекло с палочки и разгладить потом стенку раздува-
нием и стягиванием, пока толщина стенки не выровняется.
При этом иногда по неосторожности могут образоваться
отверстия в стенке. Их заделывают, стягивая куском палочки края
отверстия.
3J
Платиновые вводы
Раньше единственным удовлетворительным способом получения
спая стекла с металлом было соединение платины с мягким сте-
клом. Такие спаи в настоящее время применяются редко вслед-
ствие высокой цены платины. Так как твердое стекло (т. н. мо-
либденовое или пирекс) непосредственно спаивается вольфра-
мом, его в последнее время стали широко применять для изготов-
ления всех лабораторных аппаратов. Однако иногда все же
приходится пользоваться платиновыми трубками, например для
введения чистого водорода диффузией в стеклянные аппараты.
Для этого, как и для других специальных целей, требуется
спаивать платину с мягким стеклом. Для получения такого плати-
нового ввода необходимо сначала напаять
на платиновую проволочку небольшой ко-
ролек мягкого стекла (свинцового или
натриевого). Королек и платину нагревают
при этом приблизительно до 1000е С для
обеспечения хорошего смачивания металла
стеклом. Затем королек впаивают в стенку
трубки, как показано на рис. 25.
4
Рис. 25. Впаивание ввода
в боковую стенку.
1 — платиновая проволочка; 2—
стеклянная бусинка, напаянная
ири 1000°С; 3 —трубка из свин-
цового стекла; 4 — готовый
вид.
Вольфрамовые и молибденовые вводы
Вольфрамовые проволоки могут быть
впаяны в стекло пирекс, если их диаметр
меньше 0,15 мм. Более толстые вольфра-
мовые проволоки сначала впаивают в па-
трубок (муфту) из стекла нонекс, который,
в свою очередь, впаивают в стейку прибора.
Этот прием безусловно необходим в тех
случаях, когда спай должен подвергаться
нагреву для отжига в печи. Температура
размягчения стекла нонекс ниже, чем пирекса, и между точкой
отпуска, когда начинает снижаться в стекле внутреннее натяже-
ние, и комнатной температурой общее термическое расширение
нонекса почти точно равно расширению вольфрама в том же
температурном интервале.
Чтобы подготовить вольфрамовую проволоку для впаивания
в стекло, ее непосредственно перед запаиванием очищают, на-
гревая до белого каления в пламени газовой горелки. Если этого
не сделать, то на поверхности спая появятся пузырьки. Поверх-
ность вольфрама до впаивания очищают, нагревая ее и касаясь
при этом ее кусочком калийной или натриевой селитры. После
этого вольфрам промывают, на него надевают и напаивают
короткую бусинку из пирекса или из нонекса, в зависимости от
сечения проволоки, как это показано на рис. 26 а. Интенсивное
нагревание, необходимое для стягивания стекла и смачивания им
поверхности металла, следует производить острым пламенем,
начиная с одного края бусинки, чтобы стягивание шло с этого
конца постепенно к середине. Таким образом можно избежать
скопления пузырьков между металлом и стеклом. Поверхность
соприкосновения между стеклом и вольфрамом бывает яркокрас-
ная, так как окислы, образующиеся на поверхности вольфрама,
растворяются в стекле и окрашивают его. По окончании этой
операции бусинки впаивают в отверстие прибора, как показано
на рис. 26 Ь. При впаивании металла в стекло весьма суще-
ственно, чтобы охлаждение было
достаточно медленным, во избежание
появления натяжений.
Вольфрамовая проволока бывает
часто волокнистого строения и имеет
продольные каналы, которые могут
давать течь при впаивании ее в ва-
куумные приборы. Во избежание этого
необходимо, чтобы кончик впаянного
вольфрама всегда заканчивался сва-
ренным с ним куском проволоки из
никеля- или из металла „адванс". К
никелевому или адвансовому кончику
припаивают медный проводник. Медь,
легко сплавляется с этими металлами,
но ее нельзя непосредственно сварить
с вольфрамом.
Молибден впаивается в стекло
проще чем вольфрам, так как лучше
смачивается стеклом. При этом поль-
зуются теми же приемами. Чтобы
впаять в стекло толстую молибде-
Рис. 26. Впаивание ввода на
конце трубки.
1 — вольфрам диаметром и? больше
2 — 3 мм; 2 — капля никеля или сплава
„адванс" на кончике вольфрама; 3 —
бусинка из пирекса или нонекса;
4 — трубка из пирекса; 5 — медный
провод, припаянный к капле адванса;
6—готовый вид.
новую проволоку, ее предварительно
обматывают тонкой размягченной палочкой из молибденового
стекла, разогревая в восстановительном пламени, дабы избежать
окисления поверхности металла.
Электроды разрядных трубок приготовляют обычно из алюми-
ниевой проволоки, свернутой в спираль, диаметром около 2,0—2,5 мм
и из вольфрам-пирексового ввода при помощи приемов, показан-
ных на рис. 27.
Конец алюминиевой спирали, загнутый перпендикулярно
ее плоскости, чтобы получить спай с вольфрамовой проволокой,
расплавляют, обернув его тонким листиком красной меди. Воль-
фрамовую проволоку погружают в расплавленный алюминий
кончиком, покрытым никелем. Медная фолыа удерживает ее
в надлежащем положении. Когда алюминий затвердеет, медную
фольгу снимают. Стеклянную муфточку приплавляют к воль-
фраму; она плотно надвигается па конец алюминиевой проволоки
и обеспечивает необходимую добавочную поддержку.
3 Стронг
33
Рис. 27. Крепление электродов внутри трубки.
1 — вольфрам; 2— никелевый кончик; 3 — медный листок, обернутый вокруг
алюминиевой проволоки; 4 — алюминиевый электрод; 5 —после снятия мед-
ного листа; 6— пирексовая или ионексовая муфточка; 7 — никелевый кончик;
8— расширенный конац служит для фиксирования электрода; 9—медный
провод; 10—трубка стянута на другом конце, и второй электрод вводится
на место изнутри.
Рис. 28. Спаивание стекла с металлом.
1 — медный диск; 2 — пирексовые трубки; 3 — трубки, припаянные к диску;
4 — царапина подпилком для обламывания; 5 — отверстие, высверленное в
диске; 6— модный провод; 7 — разогретый пирекс не должен заходить за
край диска из мпди; 8—продольный разрез; 9—проволока впаяна в диск
серебром; 10 —трубочка нз пирекса; 11 — медная трубка с острыми краями;
12 — кольцо из пирекса, напаянное на край изнутри; 13 — пирексовая трубка
расширенная; 14 — пирексовая трубка, напаянная на острый край снаружи;
15 — разрез вдоль оси.
Спаи медь-стекло
При помощи технических приемов, разработанных В- Г. Хоузе-
кипером (Л. I.4), можно получить спаи медь-пирекс. Коэфициент
термического расширения меди значительно больше, чем у лю-
бого сорта стекла. Необходимо придать спаю особую форму,
чтобы предохранить стекло от растрескивания при изменении
температуры. Если медь достаточно тонка, она деформируется;
при этом разница между расширением меди и расширением
стекла компенсируется, что оказывается возможным, вследствие
ее высокой дуктильности и низкого предела текучести. Конструк-
тивное оформление деталей различных спаев, разработанных
Хоузекипером, изображено на рис. 28 и 29.
В конструкциях, представленных на рис. 28, особенно важно
не давать стеклу выступать за края меди. Спай, изображенный
на рис. 29, приготовляют из медной проволоки, предварительно
расплющенной в тонкую пластинку с острыми краями. Во избе-
жание расплавления меди нагревание пирексовой трубки надо
вести особенно осторожно.
«Ковар» и «Фернико»
Скорость расширения стекол повышается вблизи их темпе-
ратуры размягчения, как это показано на рис. 5. С другой сто-
роны, термическое расширение большинства металлов почти ли-
нейное. Расширения же двух новых спла-
вов — Ковар и Фернико — точно воспро-
изводят закон расширения некоторых,
имеющихся в продаже, сортов стекол
(Л. I, 4). Эти сплавы дают спаи металла со
стеклом, которые не претерпевают натя-
жения при всех условиях обжига и мо-
гут быть спаяны с соответствующими
стеклами, не требуя применения таких
приемов, которые необходимы при спаях
Хоузекипера.
Согласно А. У. Гуллю, Фернико мо-
жет существовать при комнатной тем-
пературе, либо в гамма-поверхностно-
центрированной фазе, либо в альфа-фазе
(объемно-центрированной.) Если вести
обжиг при 900е или выше, оно имеет
поверхностно-центри рованную структу-
ру, характеризуется небольшим расши-
рением и устойчиво в этом состоянии
при любых температурах выше—40°.
Подвергая действию температуры жид-
кого воздуха или механическому натя-
Рис. 29. Впаивание электро-
да по Хоузскипсру.
1 — расплющенный модный элек-
трод; а— вид сверху; б —вид
сбоку; в — сечани’; 2 —электрод
вставлен в го; ячую трубку из
пирекса; 3— сплющивание трубки
на угольной пластинке; 4—гото-
вый ввод.
3*
35
жению, его можно перевести в альфа-фазу, имеющую другое
расширение. Этого следует избегать.
Согласно Скотту: „Чтобы получить желаемое низкое и обра-
тимое расширение, характерное для Ковар и Фернико, состав их
подгоняют таким образом, чтобы пе-
реход из гамма- в альфа-фазу осуще-
ствлялся лишь в интервале—80 и
—180е С. Однако спаи нельзя дли-
тельно охлаждать ниже—40°, вслед-
ствие прогрессивно увеличивающейся
разности расширения между металлом
и стеклом при охлаждении ниже ком-
натной температуры. Специально мо-
гут быть подобраны и такие составы,
которые позволили бы вести охлаж-
дение до температуры значительно
ниже комнатнойБольшие спаи диа-
метром до 100 мм, при толщине
получить между стеклом американ-
ской марки 705-AJ и Коваром. Такие формы спаев показаны на
рис.30, они дали возможность изготовлять
Рис. 30. Впаивание изолиро-
ванного ввода в металл.
1—стеклянная бусинка; 2— свар-
ной шов; 3—стеклянная муфточ-
ка; 4— сварной шов.
стенок свыше 3 мм можно
современные металлические электронные
усилительные лампы (Л.1,3, 4, 5, 6).
Эти новые сплавы можно спаивать
легкоплавкихМ медным припоем, свари-
вать с медью и соединять при помощи
точечной сварки. Не рекомендуется, од-
нако, спаивать их серебром, так как это
делает их хрупкими. Они значительно
меньше окисляются, чем железо, а по-
тому не покрываются окалиной даже
при повышенных температурах.
Все же надо соблюдать некоторую
осторожность, чтобы избежать значи-
тельного перегрева их во время спаива-
ния. Весьма существенным свойством
этих сплавов является то, что на них не
действует ртуть.
Рис. 31. Спай стекла с фар-
фором.
1— палочка нонекся; 2 — кольцо
нонекса па фарфор?; 3— фарфо-
ровая трубка; 4 —нонекс; 5—
пирекс; 6— готовый спай.
Спаи фарфор-пирекс
Фарфор, особенно сорт его, известный
под названием Инсулит, можно непосред-
ственно спаивать с пирексовыми труб-
ками небольших диаметров (меньше 12 мм), при больших диаметрах
пирексовых трубок спай осуществляется при помощи промежу-
точного кольца из стекла нонекс, как показано на рис; 31.
ГЛАВА II
ХОЛОДНАЯ ОБРАБОТКА ОПТИЧЕСКОГО СТЕКЛА
В ЛАБОРАТОРИИ
Введение
В этой главе мы опишем технику изготовления оптических
поверхностей зеркал, призм интерферометров, линз и т. д. Опти-
ческие поверхности этих приборов характеризуются большей
точностью, чем поверхности, обычно получаемые механической
обработкой и шлифовкой. Необходима весьма чувствительная
оптическая проверка, до миллионных долей сантиметра, чтобы
убедиться в достаточном совершенстве этих поверхностей. Со-
бранный здесь материал относится к работе высоко прецизионной,
в которой ошибки не должны превышать долей длины световой
волны, поэтому мы не приводим методику изготовления простых
плоских стекол, дешевых линз и других технических работ,
в которых допуски больше (Л. И, 1,2, 3, 4, 5, 8).
Описанные здесь технические приемы предназначаются в ка-
честве руководства для научных работников, которые сочтут
желательным или необходимым изготовлять собственноручно
нужные им оптические поверхности.
В некоторых случаях задача, поставленная перед экспери-
ментатором, заключается просто в изготовлении одной, чрезвы-
чайно точно отполированной поверхности. Соответственно с этим,
мы сначала остановимся на изложении общих технических при-
емов изготовления их. В дальнейшем мы обратимся и к специаль-
ным приемам обработки отдельных оптических деталей.
Общие приемы обработки
Стекло или всякий другой материал, из которого должна
быть изготовлена оптическая поверхность, сначала подвергают
грубой обработке в целях придания ему нужной формы. На-
пример, первой операцией при изготовлении линзы является вы-
резка из стекла круглой пластинки. Призма должна быть отре-
зана алмазной пилой или грубо вышлифована из большого блока.
Подлежащую обработке грань надо затем обработать более точно
37
в порядке так называемой обдирки инструментом требуемой
кривизны.
Поверхность сначала шлифуют грубым карборундовым по-
рошком, пока она не примет надлежащую форму. Затем приме-
няют все более и более тонкие абразивы и, наконец, шлифовку
завершают с помощью тончайших порошков абразивов. Время
от времени шлифовку прерывают для проверки углов и кри-
визны, углы проверяют измерительным угольником, а кривизну —
пробным стеклом, микрометром или сферометром. После тонкой
шлифовки поверхность полируют крокусом на смоляном поли-
ровальнике. Окончательно она доводится до требуемой точности
при помощи местной ретуши специальными полировальниками.
Ретушь применяют лишь при самых точных оптических работах.
Теория шлифовки и полировки1
Процессы оптической шлифовки и полировки требуют приме-
нения шлифовальных и полировальных материалов, твердость
которых была бы большей, чем подлежащее обработке стекло.
Этот материал употребляют или в виде зерен, или в виде более
или менее тонкого порошка. Шлифование и полировка —совер-
шенно различные операции. При шлифовке зерна или порошок
образуют шероховатую поверхность, располагаясь на твердой
подложке обрабатывающего инструмента, обычно из стекла или
чугуна. При полировке же, осуществляемой при помощи тонких
порошков, полировальник делают в основном из мягкого ма-
териала. Для изготовления очень точной оптической поверхности
полировальник обычно изготовляют из сплава смолы с воском,
образующих мягкую основу его. Часто для полировальников,
когда не требуется высокой точности, применяют бумагу, ткань,
дерево и пр.
Процесс шлифовки сводится в сущности к образованию ха-
рактерных раковистых изломов, получающихся при приложении
большого давления к отдельным точкам поверхности стекла.
Давление это производит каждая частица абразива, когда она
катится между полировальником и обрабатываемой поверхно-
стью. Она создает на этой поверхности трещины, соответствую-
щие направлению натяжений, что приводит к скалыванию стружки.
Это показано на рис. 1. Обычно для шлифовки применяют карбс-
1 Теория шлифовки и полировки, изложенная автором, является упрощенной
и не разделяется русскими специалистами по холодной обработке стекла, кото-
рые гораздо глубже проникли в природу этих процессов и научились успешно
управлять ими. Особенно следует отметить работы академика И. В. Гребенщикова
и его учеников в Государственном Оптическом институте. Изложение получен-
ных ими результатов, однако, далеко выходит за пределы этой книги и желающим
подробно ознакомиться с ними можно рекомендовать обратиться к первоисточни-
кам (Труды ГОИ и Журнал ОМП). См. также Н. И. Качалов „Основы процес-
сов шлифовки ц полировки стекла". Изд. Ак. наук, Москва, 1946. Ред.
3ft
рунд и корунд в зернах. Эффективность процесса шлифовки за-
висит прежде всего от остроты крупинок. Карборундовые зерна
при этом сами размалываются и притом быстрее, чем корундо-
вые, несмотря на то, что они тверже корунда. Раздавливаемые
зерна карборунда дают большее число острых углов и ребер и
поэтому они шлифуют быстрее. Эллисон (Л. 11,7) заметил, что зерна
карборунда шлифуются примерно в шесть раз быстрее, чем зерна
корунда. Поэтому карборунд применяют для грубой обдирки
а корунд для более тонкой шлифовки. Естественный корунд рт-
Рис. 1. Действие абразива.
1 —движение; 2 —частичка абразива; 3—силы сжатия; 4—силы натяжэнпя;
5—начало излома; 6 — скол.
ботает вдвое быстрее, чем синтетический. Корунд дает более
гладкую поверхность, чем карборунд и синтетический наждак,
а потому его с успехом применяют для окончательной шлифовки.
Твердость различных абразивов приведена в шкале твер-
дости Мооса (табл. 1)
Таблица 1
Шкала Мооса
Основная шкала
Уточненная шкала
Вещество Твердость Вещество Твердость
Ортоклаз . 6 Орто-или периклаз . . 6
Кварц 7 Плавленый кварц . . 7
Топаз 8 Кварц 8
Сапфир 9 Топаз 9
Алмаз . • 10 Гранат 10
Плавленый циркон . . 11
.. глинозем . 12
Карбид кремния . . . 13
Карбид бора .... 14
Алмаз 15
С практической точки зрения мы можем считать, что процесс
полировки сводится к процессу сглаживания (Л д g 7 5 9 4)
Зерна абразива автоматически вязнут в мягком материа те полиро-
вальника (обычно смола) так, что его кристаллические поверхности
39
располагаются параллельно направлению движения полироваль-
ника и параллельно плоскости его поверхности. Таким образом,
при движении полировальника по стеклу получается своеобраз-
ный составной соскабливающий инструмент. Высота каждой
частицы абразива автоматически так устанавливается в мягком
материале полировальника относительно его поверхности, что
снимает с выступающих участков стекла тонкий и гладкий срез.
Снятые частицы стекла смываются
смазывающей жидкостью, обычно во-
дой. Сглаживающее действие начи-
нается с вершины каждого бугорка,
оставшегося на стекле после тонкой
Рис. 2. Процесс полировки.
1— тонкошлифованная поверхность;
2— полуполированная поверхность;
3 — полированная поверхность.
шлифовки,— этой операцией завер-
шается первая стадия полировки. Про-
должая работу полировальником и
удаляя снятое стекло, достигают того,
что „горы" становятся „плоскогорья-
ми" и, наконец, сравниваются с уровнем
наиболее глубоких „долин". В неко-
торых случаях характер поверхности
отдельных „плоскогорий" не под-
дается изменению при продолжении
полировки и для них первая стадия
является полной полировкой (рис. 2).
После того, как вся поверхность бу-
дет равномерно отполирована, дальней-
шая работа сводится к удалению снятого стекла. При изгото-
влении опытных образцов асферических линз было установлено,
что во время полировки снимался слой стекла до 4—5 тол-
щиной. 1
Методы полировки
При наличии подходящей мягкой и вязкой подложки стекло
может быть удачно отполировано одними только тончайшими
абразивами. Для некоторых типов работ, например для простых
зеркальных стекол, отступления от геометрически правильной
поверхности не играют роли. В этих случаях стекло полируют
деревянным полировальником с набивкой карборунда или корунда.
Стекло может быть отполировано также крокусом или красной
окисью железа (мумией), или магнитной черной описью железа,
древесным углем или даже окисью олова. И тем не менее для
1 Изучение полированной поверхности с помощью электронного микроскопа
указывает, что при полировке происходит не только удаление тончайшего по-
верхностного слоя, но и размазывание выступающих участков поверхности,
заполняющих постепенно углубления и впадины. Этс подтверждается тем фак-
том, что царапины и риски, исчезнувшие при полировке, можно вновь про-
явить путем «травления", растворяя этот наносный слой, менее прочный, чем
основной материал. Ред.
40
бычных оптических работ только крокус является наиболее
подходящим полирующим материалом. Поверхности стекла,
кварца? зеркальных металлов, кальцита и флюорита лучше всего
полируются крокусом на воске или на смоле. При этом дей-
ствие этих различных полирующих агентов сильно зависит от типа
подложки на полировальнике (ткань, бумага или смола), от твер-
дости материалов, которые подлежат полировке, а также
от способа смазки. Некоторые полировальные вещества, плохо
полирующие на смоле и воске при смазке водой, дают очень
хорошие результаты, если их применить в сухом виде на бумаж-
ном полировальнике. Для полировки на бумаге обычно приме-
няют окись олова (тончайшая пудра). Окись хрома рекомен-
дуется для полировки большинства металлов вроде нержавею-
щей стали, которая химически взаимодействует с крокусом.
Материалом для полировальников могут служить также мягкие
металлы — медь, свинец или алюминий. Такие полировальники
употребляют часто для полировки тонких образцов минералов
(„шлифов") для изучения их под микроскопом. В качестве абразива
для работ такого типа применяют иногда алюминиевый порошок.
Для точных оптических работ обычно служат полировальники
из смолы или из смеси смола-воск, в то время как полироваль-
ники, покрытые бумагой или тканью, чаще применяют при
изготовлении некоторых товаров широкого потребления. Стекло
с поразительной быстротой полируется на полотне или сукне;
но поверхность его при этом получает странную мелкозернистую
структуру, похожую на „лимонную корку". Метод полировки на
суконном полировальнике обычно применяют при изготовле-
нии зеркальных стекол. Бумажные полировальники дают вообще
лучшее качество поверхности, чем суконные, но их применяют
реже и почти исключительно для производства недорогих линз,
вроде дешевых ручных лупи т. д.Все полировальники из фибры
и подобных фибре материалов так же дают поверхность
типа „лимонной корки".
Получение широких оптических поверхностей диаметром
в 75, 150 и более миллиметров
В качестве самых первоначальных упражнений в искусстве
изготовления оптических деталей можно рекомендовать изго-
товление стеклянных или кварцевых поверхностей диаметром
от 75 до 150 и более миллиметров. Основные приемы приме-
няются в равной мере к обработке зеркал, линз или призм.
Опишем практические приемы такой обработки, рекомендуемые
Д. О. Гендрихом, авторитетным практиком-оптиком, сотруд-
ником обсерватории на горе Вильсон в Америке.1 Эти приемы
изготовления оптических поверхностей в некоторых отноше-
1 Процесс, приведенный здесь, сообщен автору Д. О. Гендрихом.
41
ниях отличаются от приемов, описанных в классической книге
о самодельном телескопе, написанной Ингаллсом, Портером
и Эллисоном (Л. II, 1,6,7). Например, в этой книге рекомендуется
располагать полировальник под обрабатываемой деталью, тогда
как мы прежде всего рекомендуем держать его поверх детали.
Разрезание и грубая обдирка
Заготовки, будь то зеркало, линза или призма, часто можно
грубо на глаз отрезать от стеклянной пластинки при помощи
Рис. 3. Резание стеклянных
пластинок.
1 — стальной роликовый резец для
стекла; 2 —ролик; 2—разрезание;
4 — стол с настилкой; 5— разламы-
вание стекла; 6 — линия разлома;
7— картонная подкладка; 8— парал-
лельные плоскогубцы.
резака с роликом, известного под наз-
ванием „алмаза с роликом", наиболее
удобного при отрезании всех сортов
полированных стекол обычной толщи-
ны. Режущий инструмент проводят
один раз по поверхности стекла под
давлением, достаточным для получения
линии надреза.
Нельзя проводить им несколько
раз по одной и той же линии взад
и вперед. После нанесения тонкой и
Рис. 4. Вырезание кружков.
1 — молоток и зубило применяют,
чтобы наметить линию разреза;
2 — надрез, сделанный резцом; 3 —
суконная прокладка.
глубокой линии надреза стекло легко ломается при сгибании вдоль
по этой линии, как показано на рис. 3. Параллельные плоско-
42
(оис. 3) бывают полезны, когда с края стекла необходимо
Губи^ать узкую полоску. Трещина в стекле по линии разреза
стреет образоваться вдоль этой линии при легком постукива-
М°Ж с обратной стороны стекла вдоль всей линии надреза
маленькой^ шишечкой, которую обычно помещают на ручке
РОЛПроцесс отрезания заготовок от толстых пластин стекла
протекает более спокойно и четко при смазке ролика скипи-
даром или керосином. После проведения надреза начинают рас-
ширять трещину в толстом стекле при помощи зубила. Инстру-
Рис. 5. Обтачивание кружка.
1 — железный диск, смачиваемый
водой с карборундом; 2— бачок
для улавливания брызг.
Рис. 6. Обработка боковой по-
верхности цилиндра.
1 — смачивание водой с карборундом;
2 — шлифовальник упругий, из мягко-
го железа. При работе нужно быть
осторожным, чтобы не забрызгать
станка от вибрирующего инструмента.
мент этот следует держать прямо над линией надреза со сто-
роны пластины противоположной надрезу и слегка постукивать
по нему маленьким молоточком. Плоскость зубила должна быть
параллельна надрезу. Стекло следует положить надрезом вниз
на поверхность сукна или на другую мягкую поверхность.
Образовавшаяся сначала в одном месте сквозная трещина легко
пойдет под действием зубила (рис. 4) вдоль надреза. Очень
тонкие стекла лучше резать специально смонтированным и зато-
ченным алмазом (ролик их раздавливает). Если желательно
вырезать диск, сначала вырезают квадрат, а затем отрезают
углы, чтобы придать многоугольнику приблизительно желаемую
форму. Углы грубо стачиваются вращающимся плоским чугун-
ным диском, смачиваемым водой с карборундом (рис. 5). Для
удобства стеклянный диск приклеивают воском к металличе-
ской пластинке, укрепляемой в патроне токарного станка, пер-
пендикулярно к оси вращения. При его вращении углы стачи-
43
ваются на железной планшайбе, смачиваемой водой с карборун-
дом, как показано на рис. 6. Рекомендуется слегка пружинящий
шлифовальник. Для защиты станка от попадания абразивов
на его рабочие части или передачи их надо тщательно закры-
вать промасленной тканью.
Сверление отверстий
Обычным способом вырезания небольших дисков с диамет-
ром до 15 см (из стеклянных пластин) и высверливания отвер-
стий является применение специального цилиндрического приспо-
собления. Это приспособление представляет собой муфту, сде-
ланную из простой тонкостенной железной или латунной
трубки, зажатой в патроне дрели, как сверло (рис. 7). Во
Рис. 8. Вырезание эллипсов.
1 — полое сверло из латуни; 2 —
защитная стеклянная пластинка,
мешающая образованию выколок
па обратной стороне пластины;
3 — верхнее защитное стекло,
приклеенное воском, чтобы пред-
отвратить царапание оптической
поверхности: 4 — оптическая плос-
кость.
Рис. 7. Сверление Отверстий и вырезание ма-
леньких кружков (а и б).
1 — полое сверло из латуни; 2 — стекло, приклеенное
воском к защитной стеклянной пластинке; 3 — ручная
дрель; 4 — карборунд с водой.
время сверлсни! трубка при помощи ложки смачивается
снаружи водой с карборундом. На рис. 7 показан также
другой способ смачивания изнутри сквозь специальные отвер-
стия в муфте. Чтобы предотвратить раскалывание стекла, что
может случиться при проникновении режущего края муфты
сквозь последние слои пластины, полезно приклеить воском сзади
к стеклу защитную стеклянную или деревянную пластинку. При
сверлении подобным приспособлением применяют обычно карбо-
рунд 60 и 90. Для сверления тонких плиток и точных отвер-
стий надо применять карборунд 120. Муфта работает быстрее,
если вместо воды употреблять смесь скипидара и камфоры с кар-
борундом. Состав этой смеси: 0,5 л скипидара и 5 г камфоры.
44
Косые зеркала
Зеркало, типа ньютоновых диагональных зеркал для неболь-
ших телескопов, вырезают при помощи описанного выше при-
способления из большого готового и уже ретушированного
плоского зеркала.
Большое зеркало укрепляют на вращающемся шпинделе оп-
тического станка под углом в 45°, подклеив к нему с задней
стороны воском защитную стеклянную пластинку. После этого
вырезают диагональные зеркала (рис. 8). Обычно, чтобы предо-
хранить ретушированную готовую поверхность зеркала от цара-
пин абразивами, ее также покрывают защитным стеклом на воске.
Зеркало, вырезанное таким способом, может обладать слегка
выгнутыми краями. Однако если срезать край, имеющий лишь
грубо шлифованную поверхность, и прополировать ее на дереве
с карборундом, зеркало обычно снова становится плоским. (Иногда
это называется явлением Тваймана).
Распиловка стекла
Плоские плитки выпиливают из толстого бруска стекла пила-
ми различных видов. Наиболее простой и довольно удобной для
этого является так называемая наждачная пила, изображен-
ная на рис. 9 а. Она представляет собой быстро вращающийся
диск, вырезанный из мягкого листового железа, смачиваемый
водой с карборундом. К этой смеси полезно прибавить сахар,
патоку, тальк, глицерин или бентонит (особенно пригоден по-
следний), чтобы зерна карборунда приклеились к диску и не так
быстро смывались в резервуар под пилой. В обычных конструк-
циях пил край пилы при работе погружается в „кашицу", со-
стоящую из указанной смеси с карборундом, которая находится
в этом резервуаре. Образец, из которого надлежит выпилить
заготовку, кладут на столик, вращающийся на горизонтальной
оси с противовесом, и с легким нажимом подводят под край
пилы, как представлено на рис. 9 а.х
Алмазная пила представляет собой дисковую пилу для выпи-
ливания заготовок, которая работает гораздо быстрее, чем
карборундовая. Алмазную пилу, изображенную на рис. 9 внизу,
можно сделать следующим способом: алмаз распыляют (толкут
в ступке) (рис. 9 Ь) и набивают в зарубки насечки, сделанной острым
зубилом по краю тонкого железного или медного диска, как пока-
зано на рис. 9 с. Зарубки осторожно завальцовывают (рис. 9 d),
чтобы, с одной стороны, закрепить в них алмазную пыль, а с
другой, утолстить край пилы для образования зазоров между
1 Важно, чтобы столик не шатался на оси и край пилы точно попадал бы
в разрез. Край пилы не должен „бить". Его полезно слетка расширить по
сравнению с толщиной материала пилы в средней части диска путем разваль-
цовывания.
45
Рис. 9. Распиливание стеклянного блока.
oil—стекло, которое надо разрезать; 2—плоский железный диск; 3 — противовес; 4—смесь
наждака с водой („кашица"); 5 — предохранитель (щиток) от брызг.
Ь) Ступка из твердой стали и пестик для размельчения алмаза. После размельчения алмаза его
смешивают с воском. Размеры крупинок должны соответствовать ситу с 3—4 отверстиями на
миллиметр. Для набивки десятидюймовон пилы надо около четырех каратов крупного алмаза.
с) 1—на лезвии пилы делается иасечка ножом; 2 — диск из мягкой меди от 0,8 до 1,5 мм толщины
укрепляется на оси между стальными пластинками.
<1) Насеченный край медного диска набивается воском с алмазной пылью. Насечка закатывается
при помощи ролика.
е) 1—насечка с интервалами от 0,5 до 1,2 мм; 2 — закрытая насечка, зажимающая частицы алмаза.
3—Разрез стального ролика и разрез края диска. Если край недостаточно утолщен, как показано,
то с боков диск следует согплнфовать, чтобы обеспечить зазор при его вращении; 4 — кусок
стекла, игторый надо разрезать; 5 — бак с кепосином или с водой; 6 — край пилы движется со
скоростью около 250 м в мин.
плоскостью диска и стенками пропила. Во время работы боко-
вые стенки пилы обильно смазывают и промывают водой или:
лучше керосином.
Видоизмененная машина Дрепера
После того как заготовки для призм, линз, зеркал или дру-
гих деталей вырезаны, следующими операциями являются шли-
фовка сферических поверхностей, полировка и доводка (исправ-
ление— „ретушевка"). Это может быть выполнено вручную или
на шлифовальном и полировальном станках. Один из таких
станков изображен на рис. 10. Для этой цели пригодна также
видоизмененная машина Дрепера.
В видоизмененной машине Дрепера полировальник движется
в горизонтальном направлении, описывая овальную кривую на
плоскости образца. Амплитуда этой кривой задается установкой
особого приспособления у кривошипа. Движение это можно
специально приспособленным рычагом направить так, что кривая
оказывается ориентированной определенным образом по отноше-
нию к заготовке (например, по диаметру или по хорде). Сам
полировальник может поворачиваться на своей оси или приво-
диться в движение при помощи ременной передачи. Полироваль-
ник, кроме того, можно или нагружать, для увеличения давле-
ния на изделие, или же он может быть снабжен противовесом, что-
бы, если понадобится, уменьшить нагрузку давления на заго-
товку. Столик с заготовкой вращается в свою очередь особым
приводом со скоростью два оборота в минуту.
Крепление заготовки
Основным требованием, предъявляемым к видоизмененной ма-
шине Дрепера, является возможность наклона и закрепления
столика со стрелой прогиба от 0,02 до 0,08 мм, в зависимости
от размера. Столик надо обтянуть слоем тонкого фетра (войлока)
и клеенкой, как показано на рис. 10 внизу. Эти подкладки удер-
живают стекло в определенном положении на его плоской ниж-
ней грани и, как показала практика, обеспечивают от поворачи-
вания и пошатывания его во время всех операций обработки.
Когда обрабатывают вторую поверхность выпуклой линзы, то
для крепления заготовки образца на шлифовальном станке поль-
зуются плосковогнутым стеклянным шлифовальником, применяв-
шимся для последней тонкой шлифовки первой поверхности.
Сначала крепится инструмент вогнутой стороной кверху, затем
его покрывают фетром, на который и кладут заготовку линзы-
Подготовку устанавливают на столике и фиксируют с боков при
помощи трех струбцинок, подведенных вплотную к краям образца,
Но без большого надавливания. Струбцинки чадо прижимать
с силою не большей, чем сила, необходимая для уравновешивания
47
2
Рис. 10. Шлифовальная машина по Дрсперу.
1 — свободный латунный подшипник; 2 — чека и шайба; 3 — сюда должен быть по-
мешен груз так, чтобы можно было уменьшить давление на инструмент, если это
потребуется; 4—противовес; 5 — эксцентрике переменным смещением; 6—шкив
от 5-ти до 10-ти оборотов в минуту; 7 — универсальное соединение (кардан); 8 —
петля; 9—шлифовальный диск; 10— направляющие; 11 — вращающийся столик
<с шайбой; 12 — изделие; 13 — ось, имеющая 30 оборотов в 1 мин.; 14 — ось 2 обо-
рота в 1 мин.; 15 — этот шкив приводится в движение мотором в 1,4 киловатта
при помощи редуктора скорости; 16 — 3 деревянные струбцинки; 17 — два слоя
промасленной материи — фетр; 18—струна; 19—чугунный вращающийся столик
с верхней шлифованной плоской поверхностью; 20—войлок.
Необходимо заметить, что универсальное соединение (кардан), показанное здесь,
•применяется только при грубой шлифовке. При тонкой шлифовке и полировке
инструмент присоединяется непосредственно к оси вращения
боковых усилий, появляющихся при работе полировальника.
Время от времени при полировке и при шлифовке заготовку
линзы или зеркала поворачивают между краями струбцинок, для
того чтобы действие этих усилий более равномерно распределить
по периферии зеркала и таким образом избежать появления
астигматизма.
Заготовку, будет ли это зеркало или линза, считают доста-
точно подготовленной после того, как все ее плоскости будут
тонко отшлифованы и сделаны параллельными на вращающейся
чугунной шайбе, применяемой при обдирке (рис. 5). При
этом ребра на боковой поверхности сошлифовывают, чтобы по-
лучились скошенные фаски. Окончательно фаски полируют на
деревянном полировальнике с тонким карборундовым зерном.
Приемы шлифовки кривых поверхностей
Требуемую кривизну поверхности на стекле получают обра-
боткой с помощью медного, латунного или железного шлифо-
вальника соответствующего размера и требуемого радиуса кри-
визны. Мягкая металлическая поверхность в процессе работы
набивается абразивами и мало снашивается, если она употребляется
для обработки таких хрупких материалов, как стекло- С другой
стороны, при обдирке меньше снашивается шлифовальник из
литого чугуна, а шлифовальник стеклянный срабатывается так же
как и сама заготовка. Общеизвестный способ изготовления вруч-
ную шестидюймового (15 см) зеркала состоит в одновременной
обработке двух одинаковых стеклянных дисков; один из них
является самим изделием, другой—шлифовальником. Для шли-
фовки заготовку (рис. 11) надо укрепить на устойчивой подстав-
ке, высоту которой можно подобрать по желанию. Оптик медленно
переступает, двигаясь вокруг подставки, и шлифует на ней
образец движением шлифовальника. Большим пальцем правой
руки он производит давление на середину шлифовальника, ко-
торый он поворачивает пальцами в направлении против часовой
стрелки, если сам передвигается относительно стоДд в правую
сторону. При движении шлифовальника по ходам верхний диск
должен получаться вогнутым, а нижний выпуклым. При таком
способе работник всегда может контролировать свою работу.
Он может продолжать шлифовку, все увеличивая кривизну по-
верхности, пока не достигнет желаемого результата. Если ему
необходимо уменьшить кривизну, он должен поместить шлифо-
вальник вниз и двигать по нему заготовку. Если же он желает
сохранить обе поверхности плоскими или сохранить постоянство
достигнутой уже кривизны, он должен периодически менять
относительное положение двух дисков. Кроме того, при необхо
димости сохранить постоянство достигнутого уже радиуса
кривизны, надо применять движение шлифовальника по диаметру,
а не по хорде. На описанной выше видоизмененной машине
4 Строн)
49
Дрепера шлифовка вогнутых зеркал определенного радиуса
кривизны осуществляется при помощи шлифовальника малого
размера. Вогнутые кривые стеклянные поверхности получаются
при поперечном движении через центр зеркала шлифовальника
диаметром */8 от диаметра размера заготовки. Выпуклые поверх-
ности получаются при работе шлифовальником большего диаме-
тра, при движении его по направлению хорды заготовки. Хотя
Рис. 11. Ручная обработка больших поверхностей.
1 — дерзвяинля струбцинка; 2 — подвижный деревянный столик; 3 — четырех,
дюймовая трубка; 4—кадка с бетоном; 5—рукоятка для изделия; 6 — деревянный
диск, прижимаемый к верхней поверхности изделия; 7 — верхняя обрабатываемая
поверхность шлифуется вогнуто; 8— направление движения рук; 9— нижняя обра-
батываемая поверхность шлифуется выпукло; 10 — слой войлока или губча-
той резины. Многие рабочие преджочитают иметь изделия на более низком уровне
1 м), чем показано здесь.
выпуклые поверхности образуются и тогда, когда шлифовальник
размером равным заготовке движется через ее центр (диамет-
ральный ход), однако они получаются быстрее при движении
по хорде. Скорость изменения кривизны пропорциональна ампли-
туде диаметрального хода или боковому смещению при ходе
по хорде.
После грубой обработки заготовок карборундами 90 или 60,
до получения заданной величины радиуса кривизны, для доделки
поверхности следует брать шлифовальник равного размера с
заготовкой. Движение, применяемое при этом, имеет траекторию
в форме узкого овала, проходящего через центр заготовки.
Амплитуда его должна быть теперь уменьшена с одной трети
до одной шестой диаметра заготовки. Шлифовка таким полиро-
50
льником продолжается до тех пор, пока и заготовки и инстру-
мент не станут оба точно сферическими, что проверяют каче-
ством притирки шлифовальника к образцу и по тому, стираются
ци при притирке карандашные метки, сделанные на поверхности
заготовки. Эта операция, однако, может еще оставить на по-
верхности заметные царапины.
Часто рекомендуют изготовлять круглый шаблон требуемого
радиуса и образец шлифовать до полной притирки к этому шаб-
лону. Д^я измерения отступления поверхности заготовки от
сферической поверхности можно воспользоваться сферометром.
Если заготовка уже обладает достаточно хорошей сферической
поверхностью, то отсчет по сферометру d, радиус кривизны по-
верхности R и радиус окружности, на которой расположены
три ножки сферометра г, должны удовлетворять следующему
соотношению:
Сферические поверхности, получающиеся посредством шли-
фовки указанными способами, действительно оказываются на-
столько хорошими, что оптики, работавшие в то время, когда
еще не были разработаны современные методы проверки, не
решались удалять полностью все царапины, получающиеся при
шлифовке, поскольку они создавали удобные „марки" для оценки
сохранения правильной формы изделия при дальнейшей обработке.
Чтобы шлифовать очень глубокие кривые поверхности зер-
кал, подобные зеркалам, применяемым для объектива Шмидта,
с относительным отверстием //1, вокруг края зеркала обертывают
ленту, а на самую поверхность зеркала наносят слой зерен
карборунда. Лента удерживает зерна на зеркале. Затем заготовку
медленно вращают, а быстро вращающимся чугунным кольцевым
шлифовал ьником, с диаметром несколько меньшим диаметра за-
готовки, ее шлифуют, делая овальные движения через центр
его поверхности. Амплитуда хода подбирается такой, чтобы край
шлифовальника доходил до самого края обрабатываемой детали.
Во всех случаях окончательную шлифовку рекомендуется
производить стеклянным шлифовальником. В этом случае стек-
лянный шлифовальник лучше металлического, так как стирание
инструмента происходит приблизительно с такою же скоростью,
как и изделия, при чем осуществляется правильная притирка
инструмента к заготовке во все время работы. Шлифовальник
может быть стеклянным диском, служащим дополнительной
деталью к изделию; если у изделия получена выпуклая сфери-
ческая поверхность радиуса R, то шлифовальник должен быть
вогнутой сферой такого же радиуса. Для этой цели в качестве
Шлифовальника можно применять толстую стеклянную пластинку,
приклеенную к металлической основе. Для того чтобы обеспе-
чить доступ шлифующей смеси ко всем частям инструмента и
4* 51
чтобы быть уверенным, что шлифовальник стирается несколько
быстрее, чем изделие, на нем полезно вырезать одну или боль-
шее число канавок, не проходящих через его центр (рис. 12).
Эти канавки можно прорезать в стекле при помощи алмазной
или наждачной пилы.
Для изготовления больших зеркал можно на выпуклые или
на вогнутые железные основы наклеить стеклянные диски или
квадратные пластинки (рис. 12).
Радиус кривизны изделия R измеряют при помощи сфероме-
Кис. 12. Шлифовальник для
большого изделия.
1 — центр; 2 — канавки от 0,8 до
1,5 мм Глубиной, нарезанные наж-
дачной или алмазной пилой;3 —
стеклянный шлифовальник; 4 —
стеклянные шашки, приклеенные
тв“рдой смолой или сургучом
к железному шлифовальному
инструменту.
3
тра или определяют на глаз при по-
мощи шаблона, сделанного из металла.
Последний должен быть вырезан очень
острым стальным резцом. Этот резец
надо заточить так же, как это делают
при обработке латуни. Его укрепляют
на одном конце рычага (длиной /?),
другой конец которого закрепляют
между хорошо проверенными центра-
ми, позволяющими рычагу поворачи-
ваться в одной плоскости, проходящей
через ось станка. Для проверки пра-
вильности плоской поверхности может
служить ребро хорошей металлической
линейки.
Тонкая шлифовка
После того как получен надлежа-
щий радиус и вся поверхность гото-
вого вчерне изделия проверена, оптик
при помощи шлифовальника нормаль-
ного размера производит тонкую
шлифовку карборундом 150, ,,F“,
400 и 600. Шлифовальник, по раз-
мерам равный изделию, нагружают для создания давления при-
мерно до 0,034 кг/см2.
При обработке 15-сантиметрового (6") зеркала карборундом
указанных марок время от времени прибавляют по одной чай-
ной ложке зерен абразива. Каждую порцию зерен смешивают
с одной или двумя ложками воды. Шлифовку продолжают до
тех пор, пока резкий звук, сопровождающий этот процесс, по-
степенно не затихнет.
При обработке зеркала диаметром в 15 см зерна повторно
прибавляют в течение всего времени шлифовки (около 30 мин.
или более 1 часа при ручной обработке). После шлифовки
в течение получаса карборундом одного сорта оптик переходит
к следующему сорту и, наконец, после карборунда 600 закан-
чивает шлифовку двумя сортами наждака: 302х/2 и 303х/2-
52
После окончания работы с каждым из этих сортов абразива
инструмент, изделия и столик станка надо тщательно вы-
мыть.
Имеющийся в продаже карборунд в зернах обычно бывает
хорошо отсортирован и не нуждается в промывке. Наждаки же
необходимо всякий раз перед употреблением промывать. Для
этого наждак насыпают в кружку емкостью 1 л, слоем толщи-
ной в 25 мм. Кружку наполняют водой, в которой наждак надо
тщательно перемешать и дать ему оседать в течение 10 сек.
Воду с суспендированным наждаком сливают (декантируют)
в ДРУГУЮ» чистую кружку, а осадок из первой кружки выбрасы-
вают.
По прошествии 10 сек. суспензию сливают из второй
кружки. Это повторяют и в третий раз. После этого время
оседания увеличивают до одной минуты, осадок, полученный при
этом, называют обычно осадком сорта А („минутник"). Жидкость
с этого осадка сливают в чистую кружку, в которой осаждение
продолжается до получения полной прозрачности жидкости и
накапливается осадок сорта В. Жидкость с В сливают об-
ратно на осадок А, взбалтывают, оставляют в покое в течение
одной минуты и затем снова сливают на осадок В. Это повто-
ряется несколько раз, чтобы по возможности полнее извлечь из
фракции А остатки фракции В, затем полученный продукт
смешивают с равным по объему количеством хорошо промытого
талька и после этого применяют при шлифовке. Тальк служит
смазкой и мешает сильному прилипанию инструмента к обраба-
тываемой поверхности.
Тальк должен быть промыт так же тщательно, как и наждак,
и освобожден от кусочков металлического железа.
Окончательная шлифовка этими двумя номерами наждака
образует поверхность, дающую зеркальное отражение белого
света при косом падении его. Если лучи при падении образуют
с поверхностью достаточно острый угол, отраженное изображение
кажется красноватого цвета. Действительно зеркальное отраже-
ние красной части спектра может наблюдаться до больших
значений острого угла, например в 12° по сравнению с синей.
Максимальная величина этого острого угла, дающего еще отчет-
ливое зеркальное отражение, является простым способом про-
верки качества тонкошлифованной поверхности. В качестве
источника света для этих испытаний обычно применяют яркую
лампу накаливания, и, если поверхность дает отражение при угле
около 12е, изделие готово к полировке.
Если требуется просверлить отверстие в центре зеркала, то
для этого перед окончанием шлифовки применяют описанное
выше приспособление из трубки; вырезанный этой трубкой ку-
сочек стекла вклеивают обратно при помощи канадского баль-
зама или другим клеем. Кусочек остается на месте до полного
окончания ретуши.
53
Смола для полировальника
Полировальная смола должна обладать следующими свойства-
ми: обнаруживать некоторую текучесть уже при обычной ком-
натной температуре, легко ^подрезываться острым ножом и не
терять своей мягкости при постепенном испарении из нее лету-
чих масел. Сплав (компаунд), отвечающий всем этим требованиям,
составляется обычно по следующему рецепту:
1) Угольной смолы, точка плавления от 77° до 8 Г — 907 г
2) Сосновой смолы (жидкой) — 33,6 см3
3) Воска пчелиного — от 15,5 до 31 г
4) Венецианского терпентина — не более чем 2 или 3 см3
Сначала осторожно расплавляют смолу, затем к ней прибав-
ляют остальные ингредиенты. Назначение терпентина — придать
смоле необходимую мягкость. В зависимости от требуемой сте-
пени твердости смолы, к ней можно прибавлять терпентин
в большем или меньшем количестве. После каждого добавления
терпентина смолу необходимо испытать на мягкость, что можно вы-
полнить простым способом: попробовать разжевать маленький
кусочек смолы, полученный при выливании ее на холодную поверх-
ность стекла. При нормальной температуре человеческого тела
так называемую мягкую смолу можно разжевать, в то время
как твердая смола под давлением зубов ломается. Далее, твердая
смола, покрывающая поверхность полировальника, дает по краям
бороздок, сделанным на поверхности, явные признаки текучести
лишь по прошествии одной недели. Мягкая смола обнаруживает
текучесть уже через одни сутки. Полировальная смола при
застывании сразу не достигает окончательной твердости, а продол-
жает твердеть в течение суток или более. Этот процесс застыва-
ния „желе" должен быть принят во внимание при работе.
После того как подбором составных частей достигнута нуж-
ная твердость, расплавленную смолу фильтруют, чтобы освобо-
диться от мелких щепочек или других твердых частиц. Для
этого жидкую смолу пропускают сквозь марлевый фильтр, закре-
пленный на железном кольце. Двух слоев марли вполне доста-
точно для того, чтобы задержать твердые частицы.
Полировальники до 15 см в диаметре изготовляют простым
наливанием расплавленной смолы на подложку слоем толщиной
около 10 мм. После того как смола застынет, в ней при помощи
простого ножа прорезают канавки так, чтобы поверхность разде-
лилась на децентрированную систему квадратных шашек одина-
ковой величины. Затем эти шашки подскабливают и отделывают
острым ножом, как показано на рис. 13. Полировальники с пузы-
рями в смоле не должны мешать успешной работе, если только
пузыри не собрались в одной какой-либо зоне широкого поли-
ровальника, так как при обработке зеркал или линз он будет
работать не на полном хс зу, а частично, Чтобы избежать скопления
54
1
Рис. 13. Подготовка поли-
ровальника — заливка смо-
лой.
1 — расплавленная смола; 2 —
глубина около 8—10 мм; 3 — бу-
мажный край; 4 — шнурок; 5 — го-
рячая смола не прилипает к су-
хому клею на прорезиненной бу-
мажной ленте (стеклянный или ме-
таллический полировальник на-
гревают перед выливанием горячей
смолы); 6 — нагретый нож. Л’звие
толщиной 1,5 мм, шириной 25 мм
и длиной 400 мм; 7 — надрезы,
идущие на всю толщину смолы;
8 — чистилка для ножа; 9— шашки
от 20 до 25 мм в поперечнике;
10—разрез подчищается острым
иожом; 11 — типичный вид поли-
ровальника для стекла; 12— шаш-
ка размером 2 X 24 мм; 13 — ти-
пичный вид полировальника для
зеркального металла.
Рис. 14. Изготовление ша-
шек.
1 — дерево; 2— бумажная подклад-
ка; 3—прокладка, слегка при-
крепленная к стенкам; 4 — запол-
нение формы; 5—готовая фор-
ма для отливки полос смолы; 6 —
полоски смолы, вынутые из фор-
мы, разрезаются на квадратики
горячим ножом-
пузырьков, расплавленную смолу сначала наливают на один край
подложки, а затем уже на центр ее.
Чтобы сделать полировальники пригодными для работы
в различных условиях, летом и зимой, существуют два способа.
Один состоит в том, что изменяют рецепт изготовления и в смолу
добавляют терпентин, чтобы она была пригодной для работы
в холодное время года, а при теплой погоде работают с холод-
ной водой. Другой способ заключается в изменении размера
шашек: для работы в холодное время шашки делают мельче;
Рис. 15. Типичный по-
лировальник для обра-
ботки деталей малого ра-
диуса.
1— смоляные шашки нагревают
и прикрепляют на подогретый
полиревальнмк; 2— металличе-
ская основа полировальника.
Рис. 16. Как придают поверхности полироваль-
ника надлежащую форму.
1 — сначала слегка нагревается обратная сторона по-
лировальника. Затем нагревается смола так, чтобы боль-
шим пальцем на ней можно было сделать углубление
при твердом нажиме; 2 — изделие смачивают маленькими
каплями мыла с глицерином для избежания склеива-
ния его со смолой, полировальник крепко прижимают
к изделию на 1—2 мин., затем оставляют его до охлаж-
дения; 3—полировальник; 4—изделие; 5—кусок ре-
зиновой пластины.
если руководиться рецептом, приведенным выше, шашки должны
иметь для работы при £ = 20с и выше поперечник около 25 мм,
а для t ниже 20° только 12,5 — 20 мм.
Если оптик полирует мягкий или легкоцарапающийся материал,
вроде зеркального металла, рационально употреблять смолу
потверже (более жесткую), а шашки узкие. Продольный прорез
в смоле затекает ровно, и таким образом вода и крокус свободно
проникают ко всем частям изделия. Для обработки зеркального
металла рекомендуется иметь шашки шириной от 0,78 до 1,5 мм
и длиной в 18 мм.
При изготовлении полировальника с относительно малым
радиусом смоляные шашки сначала отливают в особые формы
в виде палочек (рис. 14). Затем последние разрезают поперек
и наклеивают на металлический полировальник (рис. 15).
После заполнения полировальника шашками его нагревают
и прижимают к изделию. Чтобы предотвратить прилипание
56
смолы, изделие смачивают мылом, разведенным в 25°/0 растворе
глицерина. Процесс сдавливания состоит в следующем (рис. 16):
полировальник осторожно нагревают над раскаленной плиткой,,
пока смола не размягчится до нужной консистенции. Затем его
прикладывают к заготовке, смоченной смесью мыла с глицерином,
и оставляют до полного охлаждения. Это обеспечивает полный
контакт между полировальником и поверхностью заготовки.
Если полировальник предназначен для обработки плоскостей, то,
прежде чем прижать к заготовке, его полезно проточить на
токарном станке. После того как смоляному полировальнику при-
дана нужная форма, его необходимо промыть холодной водой,
а также вымыть заготовку, чтобы удалить с нее мыло и глице-
рин, и просушить.
Полировка
Полировку производят на столике описанной выше машины
Дрепера измененной конструкции таким же способом, как и шли-
фовку; в этом случае полировальнику должна быть обеспечена
полная возможность свободно поворачиваться. Время от времени
на край обрабатываемой детали около полировальника при
помощи глазной пипетки по каплям добавляют крокус с водой.
Крокус должен быть предварительно промыт, при чем про-
мывку эту осуществляют так же, как и промывку наждака или
талька, с той лишь разницей, что время осаждения доводят до
получаса. Твердые шашки на инструменте могут способствовать
появлению на детали во время полировки резко ограниченных
зон, которые образуются вследствие неравномерного срезающего
действия полировальника, что обусловлено неоднородностью
смолы на инструменте. Чтобы избежать появления этих зон,
процесс работы время от времени без всякой закономерности
несколько варьируют, придавая полировальнику попеременно
различные повороты. Шашки на полировальнике должны непре-
менно образовать децентрированную систему. При полировке
обычно применяют диаметральный ход полировальника. Главной
особенностью полировальной машины, вносящей существенное
изменение в порядок работы, является наличие такой передачи
на шкивах, которая обеспечила бы иррациональное (несоизмери
мое) сочетание вращения детали с фазой хода инструмента
Кроме того, движение инструмента время от времени меняют
от самого длинного хода, достигающего одной четверти диаметра
полировальника, до самого короткого. Если поверхность смоля-
ного полировальника чрезмерно заполнена крокусом, вследствие
чего она становится твердой и блестящей, то быстрота поли-
ровки значительно снижается. Кроме того, на поверхности
образуются мазки. Появление мазков и штрихов на полируемой
поверхности обусловливается образованием шариков, слипшихся
вз крокуса, воска и иногда из стекла, которые оставляют ври
57
вдавливании мазки, или каналы, на поверхности. Эти недостатки
чаще всего наблюдаются у полировальников, покрытых пчели-
ным воском. Для того чтобы предупредить появление подоб-
ных дефектов, необходимо, чтобы перед введением каждой новой
порции крокуса инструмент был почти сухим. Оптики называют
это „подсушиванием перед смачиванием". Вероятной причиной
образования шариков может служить излишнее нагревание поверх-
ности инструмента, вызывающее усиленную текучесть на по-
верхности смолы и ее самопроизвольное перемешивание.
Большие линзы и очень мягкие материалы лучше полируются
при периодическом покрывании поверхности полировальника
свежей смолой или пчелиным воском. Период между двумя
последовательными освежениями поверхности полировальника
обычно колеблется в пределах от 1 до 3 часов. Свежий воск
наносится на шашки полировальника при помощи тампона,
•сделанного из марли, навернутой на короткую палочку. Реко-
мендуется нагревать воск почти до кипения и наносить его
в виде тончайшего слоя. При полировке зеркального металла,
который гораздо легче поцарапать, чем стекло, на свежий слой
воска насыпают сухой крокус, который растирают осторожно
по всей поверхности шашки кончиком пальца.
Когда достигнута полная полировка, т. е. когда углубления
и риски, оставшиеся от шлифовки, полностью удалены, изделие
готово для исследования и исправления путем ретуши. Наиболее
удобный и простой способ испытания степени полировки —
фокусировка изображения солнца при помощи линзы на отполи-
ооваиной поверхности стекла. Фокус такой линзы не может
сильно нагреть стекло, однако, если поверхность недостаточно
хорошо отполирована, на ней легко заметить рассеивание света
оставшимися углублениями.
Чтобы не допустить появления астигматизма, изделие во
время полировки надо слегка поворачивать относительно сто-
лика, чтобы симметрично распределить воздействие струбцинок
ло всей периферии.
Ретушь
Ретушью называется способ ничтожного изменения формы
полированной поверхности путем местной частичной обработки
ее полировальником. Например, сферическую поверхность можно
таким образом сделать слегка асферической, так же могут быть
исправлены отдельные зоны, где обнаружился астигматизм.
В плоскопараллельной пластине или в призме влияние мест-
ных неоднородностей физических свойств стекла можно иногда
частично исправить, если добиться небольшого отклонения их
поверхностей от плоскости. Весь процесс ретуши сводится,
в сущности, к удачам и ошибкам. Измерения должны чередо-
58
^еЯЕЕЗ Й3>
^МВВк
ШШИ
задшшдав
Рис. 17. Зоны срезания для различных инструментов
1 — большой твердый полировальник, заполненный полностью:
о) — короткое движение, 6) — длинное движение; 2 — большой мяг-
кий полировальник, заполненный полностью: «) короткое движение;
6) — длинное движение; 3 — заполненный на s|e своей величины твер-
дый полировал! ник: а) — короткое движение; б) —длинное движение;
4—полировальник, Заполненный на а|а своей величины: а) — дви-
жение от центра к краю; 6) — движение через центр.
ваться с местной полировкой тех участков поверхности, которое
оказались слишком высокими по отношению к той поверхности,
которую желают достичь.
Рабочие и нерабочие зоны
Характер работы полировальника зависит от его размеров, от
характера и формы шашек и от способа работы с ним. Не
59
существует такого способа пользования полировальником, при
помощи которого можно было бы непрерывно и равномерно
снимать стекло со всей полируемой поверхности детали. Наобо-
рот, при доводке хорошей плоской поверхности каждая мани-
Рис. 18. Зоны срезания для различных инструментов.
1 — звездчатый полировальник, заполненный на % своей ве-
личины; 2 — кольцевой полировальник, заполненный на %
своей величины; 3 — полировальник с вырезанной звездой,
заполненный на 2/s своей величины; 4 — многоугольный кон-
тур, заночненный на % величины.
пуляция может повести к появлению на полировальнике ее
собственной характеристической зоны, которая при этом и может
быть названа рабочей зоной инструмента. Рис. 17 и 18 иллюстри-
руют рабочие зоны некоторых типичных полировальников. Зоны
эти вызывают появление дефектов на поверхности зеркала, кото-
рые располагаются симметрично относительно сеj е щны поли-
руемой поверхности. Процесс ретуши и состоит в испытании
69
поверхности, обработка которой еще не завершена, и в последу-
ющей обработке этой поверхности подходящим видом полиро-
вальника, рабочая зона которого имеет тенденцию исправлять
дефектные зоны поверхности, обнаруженные при испытании.
Резко выраженные зоны можно смягчить, выравнивая их посте-
пенно при помощи большого полировальника с широкой площадью,
покрытого мягкой смолой. Этот прием в основном пригоден
и для исправления зон, оставшихся после полировки, и к тем
дефектным зонам, которые могут появиться при ошибках ретуши.
Последние обычно представляют собой переходные зоны, полу-
чившиеся от воздействия отдельных рабочих участков полиро-
вальника при неполном устранении зональных дефектов на обра-
батываемой поверхности. Они изображены на рис 20. После
выравнивания резко выраженных зон инструментом, покрытым
мягкой смолой, оптик снова проверяет форму поверхности
и затем продолжает ретушировать. Для дальнейшей обработки
оптик должен мысленно представлять себе форму поверхности
так, чтобы она проходила в толще стекла реальной поверхности.
Наметив расположение бугорков по отношению к этой вообра-
жаемой поверхности, нужно их снять, применив для этого соот-
ветствующие полировальники и надлежащие виды их движений
по исправляемой поверхности (Л. П, 4, 3, 7, 2).
Объяснение действия полировальных и ретушировальных
инструментов
Если бы мы могли количественно оценить относительное
значение всех факторов, влияющих на срезывающее действие
того или иного полировальника при его определенном движении,
то мы получили бы возможность с большей вероятностью
предсказать расположение на нем рабочей зоны. Однако
мы этой возможности лишены. Мы можем только качественно
описать факторы, которые представляются оптикам наиболее
важными:
1. Полировальник срезает количество стекла, пропорциональ-
ное времени передвижения его по стеклу.
2. Полировка происходит тем быстрее, чем больше ско-
рость движения полировальника, однако ни количество
срезанного стекла, ни скорость полирования не пропорцио-
нальны той скорости, с какой полировальник движется по изде-
лию.
3. Та часть поверхности полировальника, которая постоянно
находится в соприкосновении с поверхностью изделия, работает
относительно быстрее, чем та часть инструмента, которая на-
ходится в соприкосновении с поверхностью не все время.
4. Шашки инструмента, получающие свежий крокус, поли-
руют быстрее, чем следующие за ними, так как новый крокус,
6!
которым покрывают основные ведущие шашки, стирается с тех
участков, по которым движутся следующие шашки.
5. Полировальник полирует тем быстрее, чем больше оказы-
ваемое на него давление при всех прочих равных условиях. Это
следует принимать во внимание при оценке селективного дей-
ствия широкого полировальника на возвышенные зоны детали,
что в сущности и лежит в основе всей ретуши. Весьма суще-
ственно подвергнуть этот фактор детальному изучению при
изготовлении асферических поверхностей, когда естественно
инструмент работает так, что он стремится возвратить поверхность
к форме сферы.
Инструменты для ретуши зон
На рис. 17 и 18 изображены полировальники различной
формы, а также показаны те зоны, которые получаются на хо-
рошей плоской поверхности при обработке ее при чересчур
длинных или при чересчур коротких движениях инструмента.
В каждом случае траектория движения представляет собой
узкий овал, проходящий через середину поверхности изде-
лия. Овальное движение следует предпочитать прямолиней-
ному потому, что полирование при этом никогда не останав-
ливается.
На рис. 17 можно видеть, что при обработке полировальни-
ком полного размера, равного размерам детали, полируемая де-
таль становится все более выпуклой, при чем при увеличении
длины движения инструмента выпуклость ее увеличивается.
Полировальники средней величины, равные 5/6 размера изде-
лий, при длинном ходе не изменяют кривизны поверхности
изделий, а короткий ход, наоборот, делает поверхность вогнутой.
Инструменты малого размера делают поверхность еще более
вогнутой.
Далее следует заметить, что влияние инструмента на изме-
нение кривизны всей поверхности (за исключением отмеченных
нами случаев) сказывается больше, чем местное действие его
при образовании на нем рабочей зоны. Такое ничтожное изме-
нение общей кривизны вообще не имеет большого значения,
кроме случаев, когда требуется получить плоскую поверхность,
или когда радиус кривизны стремятся выдержать с исключи-
тельной точностью.
На рис. 18 показан результат, получающийся при работе
кольцевого и звездообразного полировальников.
Особенности работы полировальников на деталях с малыми
радиусами кривизны соответственно отличаются от характера
работы их на плоской поверхности (рис. 17 и 18).
Так как методы полировки нельзя считать очень точными,
те для достижения требуемой формы поверхности особенно ре-
комендуется постепенно приближаться к нёй, работая тщательно,
€2
медленно и осторожно, с частыми перерывами для проверки.
Это даст возможность непрерывно изменять методику работы»
точно так, как меняется в военном деле тактика с учетом изме-
нения ситуации и приспособления к местности. Необходимо во
время работы с одним полировальником следить по часам за
длительностью отдельных этапов работы. Если, например, при
некоторой определенной обработке
качество зеркальной поверхности
улучшается в течение 20 минут, и
проба показывает, что потребуется
еще не меньше времени на дальней-
шую обработку, то следует продол-
жать ту же обработку лишь в течение
10 или 15 мин. и снова сделать испы-
тание и т. д., чтобы случайно не
перейти требуемый предел. Необхо-
димо при этом отметить, что поли-
ровальник сначала полирует быстрее,
а потом медленнее, так что фактор
времени не может применяться с боль-
шой точностью. Да и поведение того
или иного полировальника не всегда
можно считать вполне устойчивым,
поэтому, соблюдая осторожность, луч-
ше производить испытание поверх-
ности по возможности чаще. Тем
более, поскольку приемы ретуши не
могут быть заранее рассчитаны по
времени, полировальники, покрытые
воском, полирующие почти в три раза
быстрее, чем непокрытые, мало при-
годны для ретуши. При последних
этапах ретуши, когда требуется весь-
ма точное исследование поверхно-
сти, рекомендуется заранее устанав-
ливать изделие в специальном испы-
тательном супорте, чтобы достигнуть
температуры во всех частях изделия.
Прижимание полировальника к поверхности изделия сквозь
редкую ткань обеспечивает появление большого числа малень-
ких шашек в добавление к основным шашкам. Это обеспечивает
сразу более плотный контакт между полировальником и стек-
лом и увеличивает сглаживающее действие его при начале ре-
туши (рис. 19). Если работа осуществляется полировальниками
малых размеров, очень важно обрабатывать такими инструмен-
тами целиком всю полируемую оптическую поверхность при
небольшом числе ее оборотов.
Твердые полировальники способствуют сохранению поверх-
Рис. 19. Образование струк-
туры на поверхности по-
лировальника оттиском ма-
терии.
1— ручка, сделанная из старой
дверной рукоятки, может быть
применена в качестве приспособ-
ления для равномерного распреде-
ления давления на инструмент;
2—кусок маркизета, смоченный
мылом с глицерином и помещен-
ный между изделиями и инстру-
ментом, разделяет смоляные шаш-
ки на более мелкие шашки раз-
мером около 80 мм2.
полного выравнивания
АЗ
кости (сферической или плоской) и употребляются главным
образом для производства плоских зеркал или зеркал с точно
заданными радиусами кривизны. Мягкие полировальники, на-
оборот, рекомендуются для обработки асферических поверхно-
стей. Зеркала, сделанные любителями, могут дать иногда изо-
бражения лучшие, чем зеркала, изготовляемые профессионалами
Это объясняется тем, что любители обычно применяют мягкие
полировальники, которые дают мягкие переходы между зонами.
С другой стороны, профессионалы-оптики обладают достаточным
мастерством и знаниями, чтобы быстро устранить дефектную
зону при помощи твердого полировальника. Во многих случаях
эта быстрота работы приводит к появлению тусклых зон, что
выявляется при более строгих условиях испытания. Характерно
для оптиков, работающих на производстве, что они стараются
выдержать форму поверхности возможно точнее, но не делают
ее более совершенной, чем это указано в спецификации, хотя
и могли бы этого добиться (Л. II, 1, 2, 3, 5, 6, 8).
Способы устранения зональных дефектов и изготовление
асферических поверхностей
Фонограммы и крайне утрированные профили поверхностей,
иллюстрирующие способы ретуши различных, расположенных
симметрично относительно оси, дефектов, изображены на рис. 20,
21, 22 и 23. Объяснение этих фонограмм изложено в следующем
параграфе. Наверху рис. 20 слева мы видим фонограмму и утри-
рованный профиль зеркала с краями вниз. Этот дефект можно
исправить, применив полировальник размером равным % Раз"
мера зеркала, при коротком ходе. При этом получаются две
зоны, с которых снимают тонкий слой стекла. Одна зона наме-
чается, когда ведущий край инструмента доходит до крайнего
предела своего движения. Другая зона образуется у ведомого
края инструмента, идущего около этого крайнего предела дви-
жения. Кроме того, снимая стекло с этих зон, полировальник,
сверх того, своей средней частью делает всю поверхность зер-
кала более вогнутой. Результатом этого является изменение
всей линии диаметрального профиля поверхности, изображенной
наверху слева (рис. 20), и превращение в представленный пункти-
ром профиль наверху в середине; при рассмотрении этого про-
филя можно обнаружить две резкие зоны, показанные сплошной
линией внизу, в середине и справа (рис. 20). Эти две зоны сни-
мают короткими движениями и мягким полировальником разме-
ром во все зеркало с приподнятыми краями (чтобы избежать
вновь опускания краев зеркала вниз).
Обработку полировальником размером % зеркала, как пояс-
нено выше, применяют для исправления опущенных вниз краев
на круглом плоском зеркале (рис. 17). При известном опыте
можно так отрегулировать работу этих двух инструментов, что
64
увеличение вогнутости, получаемой от одного, будет компенси-
роваться увеличением выпуклости, получаемой от второго. На
рис. 20 показан этот процесс в применении к сферический
поверхности.
Сверху, на первом эскизе рис. 21, показано, к.к надо
снимать приподнятые края зеркала при помощи мягкого поли-
ровальника величины, равной величине зеркала. Вторая серия
Рис. 20. Ретушь.
I — разрез_ зеркала, иллюстрирующий пробу лезвием ножа; 2— заполненный
на ®/в своей величины полировальник; ?— величина сдвигания; 4—обработка;
5— при снятии такого слоя в середине появляется новая зона; 6 —мягкий
полировальник нормального размера; 7 — обработка для опущенных вниз
краев, 8 — снятие края; 8—движение; 10 — обработка; 11 — зоны уничто»
жены.
эскиза (рис. 21) показывает два метода ретуши для устранения
средней пониженной зоны. Профиль, представленный сплошной
линией слева или пунктиром в середине рисунка, постепенно
изменяется при обработке, показанной в центре, в профиль,
изображенный в середине сплошной линией и пунктирной ли-
нией справа. Этот последний, в свою очередь, превращается, при
указанной обработке, в профиль сферической поверхности, пред-
ставленный сплошной линией справа. При первой стадии обра-
ботки первоначальный пунктирный профиль, изображенный в се-
редине рисунка, приподнимается в центре и получает приподнятые
края по сравнению с воображаемым профилем, представленным
сплошной линией. Эта воображаемая кривая делается постепенно
•5 Стронг
65
реальной при обработке поверхности при помощи полироваль-
ника с диаметром меньшим, чем диаметр зеркала. Справа, сплош-
ной линией, представлен профиль воображаемой поверхносчи,
Рис. 21. Приемы ретуши оптических поверхностей.
1 — приподнятые края: а — мягкий полировальник, б — обработка;
2 — средняя пониженная зона: а — обработка с сохранением ради-
уса неизменным, в—другой способ обработки с увеличенным
радиусом; 3 — пониженная малая зона: а — средние шашки удалены
или срезаны (радиус не меняется), в — другой способ обработки
(радиус укорочен).
которая получится во второй стадии при постепенном сдвигании
узкой, резко пониженной промежуточной зоны при помощи вто-
рого мягкого полировальника с большим диаметром. При такой
последовательности в обработке радиус изделия не изменяется,
66
и-поэтому такая последовательность пригодна для ретуши пло-
ских зеркал и пластинок. При других приемах обработки, кото-
рые приводят к уменьшению вогнутости зеркала, зоны, подлежа-
щие снятию под действием полировальника больших размеров,
сменяются промежуточными углубленными зонами (углублен-
ными по сравнению с воображаемой идеальной сферической
поверхностью) и двумя зонами, резко возвышающимися по сра-
внению со второй воображаемой сферической поверхностью. Эти
приподнятые зоны надо снимать, как показано на рисунке, поли-
ровальником уменьшенного диаметра. Повышенные зоны по краям
устраняются при помощи мягкого полировальника большого
диаметра, как показано на рис. 21.
Два способа обработки, предназначенные для устранения не-
больших пониженных зон вблизи центра изделия, показаны внизу
на рис. 21. При применении одного из них первая воображаемая
поверхность располагается полностью под поверхностью стекла
и требует удаления слоя, представленного разностью между
пунктирным первоначальным профилем и сплошной линией окон-
чательного профиля. Вторая воображаемая поверхность, теперь
уже сферическая, указывает на необходимость снять несколько
резко выделяющихся зон обычной обработкой при помощи мяг-
кого полировальника больших размеров.
Второй способ обработки осуществляют путем перехода от
первоначальной неправильной поверхности к вспомогательной
промежуточной поверхности со средней зоной, повышенной отно-
сительно желаемой сферической поверхности. При этом при-
меняется хордовое движение полировальника. Остающуюся
возвышенную зону удаляют вторым инструментом большого
размера.
При обработке малых зон на больших зеркалах или отно-
сительно больших зон на малых зеркалах оптики производят
ретушь при помощи большого пальца, концов других пальцев
или даже ладони и кулака. На рис. 22 показано, как узкую
приподнятую область можно снять при помощи большого
пальца и как пониженная зона в середине выравнивается инстру-
ментом, с которого сняты некоторые шашки. Большой палец
применяют с величайшей осторожностью, сначала только при-
кладывая, слегка поворачивая его, а затем уже по мере надоб-
ности переходя к другим более сложным движениям. Суще-
ствует опасность переполировать повышенную зону при помощи
полирующего участка на поверхности пальца, потому что поли-
ровальники малых размеров снимают слой стекла очень
быстро.
При испытании оптической поверхности, отретушированной
при помощи пальцев, необходимо выждать некоторое время,
чтобы ушло тепло, накопившееся при трении (чтобы изделие
пришло в стационарное тепловое состояние). Даже при одном
обороте это нагревание вызывает появление фальшивой зоны
5*
67
вследствие расширения стекла; эта область может оказаться
выше истинных зон, требующих исправления.
На рис. 23 сверху показано, как можно сферическое зеркало
превратить в параболическое при помощи звездчатого инстру-
мента. Фонограмма наверху (справа) дает внешний вид парабо-
лической поверхности, когда она проверяется в центре кривизны.
ЖЕЗООЕЬ \ ।
ЕЗЁЕЗЕЗЕШЕ! I I
ШОЕ30ЕР / /
ЧЭСШЕЗЕР/у
SM0E3E3EHJ
хНЗЕЗЕЗЕХ/'
НЕЕЗЙЫт \
) I
ШИВЕЗВГ //
Pise. 22. Приемы ретуши оптических поверхностей.
1—резко повыш?нная зона! а—обработка пальцем и б — полировальником;
2 —пониженный центр: а—центральная шашка удалена, б—обработка по-
лировальником; 3—повышенный центр: а — обработка пальцем и б—поли-
ровальником.
Фонограмма для параболического профиля при наблюдении
из центра средней кривизны показывает наличие слабо повы-
шенной промежуточной кольцевой зоны.
Второй ряд на рис. 23 показывает ход процесса получения
параболы по второму способу и вит фонограммы, изображающей
зеркало, рассматриваемое из фокуса до и после исправления.
Преимущество испытания параболического зеркала при рассмат-
ривании из фокуса очевидно. Задача оптика добиться, чтобы
68
10
ч
6
Рис. 23. Создание асферических поверхностей.
1 — сф"рич»ско» з»ркзло, проверяемое из центра кривизны: 2 — метод и
правления ум»н1 иг ни»м длины фокуса: 3 — параболически» з»ркало, ис-
пытываемое из центра средней кривизны; 4— сф»рич»ско» зеркало, испы-
тываемое р фокус», т е. при помоши оптической плоскости; '—другой
способ исправления с ув»лич»ни»м дойны фокуса; 6 — параболическое зер-
кало, испытываемое в фокус», т. е. при помощи оптич»скэй плоскости; 7 —
сферич»ское выпуклое з°| кало, испытываемое при помощи сф»рнч»ского
з»рка а п и с параболоидом и плоскостью; 8 — метод исправления; 9 —
гип»рбол'1:ч»ско» гыпукто» з»ркало, испытываемо? при помоши сфериче-
ского з"1кзла или с параболоидом и плоскостью; 10—сф'рич»ская линза,
испытываемая при помоши оптической плоскости; 11 — м»тод испрачл»ння;
1? — гиперболическая линза, испытываемая при помощи оптической плос-
кости.
свет равномерно распределялся по поверхности зеркала. Если
при этом появится зона, которую надо устранить, то преиму-
щество испытания из фокуса по сравнению с испытанием
в центре кривизны, когда зоны начнут исчезать, станет особенно
отчетливым. Зоны становятся почти невидимыми, если зеркало
испытывается в центре кривизны, и вновь обнаруживаются, когда
оно испытывается в фокусе.
Последние два ряда (рис. 23) показывают процесс, примени-
мый для получения гиперболических поверхностей.
Астигматизм
Исправить оптическую поверхность с астигматизмом значи-
тельно труднее, чем поверхность, имеющую зоны с центральной
симметрией. Цилиндрические неправильности и вообще все
дефекты, которые несимметричны относительно центра изделия,
обусловливают появление астигматизма. Эти дефекты должны
быть устраняемы от руки. Способ устранения этих дефектов
такой же, как и при устранении зональных дефектов, а именно:
полировку надо производить только на возвышенных частях
поверхности, переходные зоны устраняют при помощи полиро-
вальников больших размеров, обычным порядком. Внешняя про-
стота этого способа не должна, однако, снижать значение того
факта, что процесс исправления астигматиза представляет собою
одну из наиболее тонких операций, которой должен овладеть
оптик; и надо помнить, что кроме знаний здесь требуется еще
и значительная сноровка. На то все время иметь в виду тен-
денцию инструмента снимать зоны у периферии изделия и в особен-
ности, когда край его сходит с края изделия. Полное удаление
астигматизма с оптической поверхности свидетельствует о высо-
ком мастерстве оптика, в то время как умение избегнуть его
появления есть результат навыка (Л. II, 6, 7, 8, 3, 12).
Испытание качества оптических деталей
Испытание качества оптической поверхности приходится
производить не только для выяснения необходимости ретуши, но
и для других целей. Например, когда зачастую возникает необ-
ходимость узнать, какая же получилась истинная форма поверх-
ности на сферическом зеркале, на плоскости или на линзе
неизвестного фокусного расстояния. Описываемые здесь способы
испытания пригодны также и для испытания шлифовки. Метод
„ножа“, предложенный Фуко, издавна применяют и при наблю-
дении свилей (Л. II, 1, 2, 6J1, 12, 7) и при фотографировании зву-
ковых волн.1
1 Исследованием поверхностей оптическими методами много занимался
Д. Д. Максутов, построивший специальные приборы и разработавший подроб-
ные инструкции для ряда частных задач. Прим. р<Д.
70
Кольца Ньютона
Наиболее простой оптический способ испытания поверхности —
способ интерференционных колец в монохроматическом свете
с длиной волны >. Кольца, появляющиеся в тонком слое воздуха
между оптическими поверхностями, называются кольцами Нью-
тона. Они представляют собой интерференционные линии рав-
ного хода между двумя поверхностями. Между двумя смежными
кольцами оптическая толщина слоя воздуха изменяется на X 2,
и кольцо может считаться контурной линией на поверхности
одного стекла, отстоящей на определенном расстоянии от поверх-
ности другого стекла, которое обычно является эталонной
поверхностью, плоской или сферической (Л. II, 8, 5, 12).
Система полос между двумя плоскостями, образующими
одна относительно другой острый клин и освещающимися моно-
хроматическим светом, представляет собой серию параллельных
прямых на равных расстояниях друг от друга.
Цилиндрическая поверхность большого радиуса кривизны,
соприкасающаяся с плоскостью по одной образующей, дает ряд
прямых на неравных расстояниях. Сферическая выпуклая или во-
гнутая поверхность и плоскость дают концентрические окружности.
На рис. 24 изображен ящик для испытания оптических поверх-
ностей при помощи наложения на плоскость и наблюдения
колец (или полос) при различных условиях.
Вид колец (или полос) от выпуклой сферы или цилиндриче-
ской поверхности в контакте с плоскостью получается почти
такой же, как и от вогнутых поверхностей соответствующей
формы. Разность в расстояниях между поверхностями, соответ-
ствующая ширине одного кольца, для соседних колец
(или полос) равна Х,2, но знак разности (возрастание расстояния
или, наоборот, сближение поверхностей) остается неизвестен.
Чтобы различить выпуклые поверхности от вогнутых, можно
применять следующее правило. При увеличении прижимания
вогнутой поверхности к плоской кольца сходятся к центру,
а при сжатии выпуклой поверхности с плоской — расходятся.
Кольца Ньютона очень удобны для сравнения „плоскостей**
неизвестного качества с пробной плоскостью. Их применяют
и для оценки поверхностей определенного радиуса при склады-
вании последних с пробной поверхностью того же радиуса,
но противоположной кривизны. В этом случае белый свет при-
меняют чаще, чем монохроматический, и отклонение испытуемой
поверхности от пробной определяют по остаточному цвету
интерференционной картины. Если нужно произвести особенно
тщательное испытание плоской поверхности относительно пробной
плоскости, при чем полосы наблюдаются не при нормальном паде-
нии, необходимо поверхность повернуть параллельно плоскости
отражения, иначе они будут казаться изогнутыми, даже если само
изделие будет плоским. Отклонение от прямолинейности оцени-
вается путем сравнения полос с натянутой струной или нитьюе
71
Рис. 24. Проверка оптических поверхностей методом
колец Ньютона (полос).
1 — установка для наблюдения полос: 1—угол зрения для на-
блюдения полос; 2 — рассылающий св°т экран из молочного или
из матового стекла; 3—пробно" с.ексо и испытуемая пов-рхность;
4— необходимо сделать отверстие в задней стенке ящика (у лампы)
для вентиляции; 5 — помеиюни" для лампы, ртутной дуги, гелиевой
разрядной трубгн или иного источника света.
II — вид колец Ннотона м-жду плоскостями:!—малый наклон:
2— наклон побольше;? — значительный наклон
III —вид косец между н-тоскостью и цилиндром с прогибом в 2 X:
1--плоскость параллельна образующей. 2—плоскость наклона
к оси; 3 — плоскость скошена.
IV — виц колец между плоскостью и выпуклой сферической по-
верхностью с прогибом в I длину световой волны: 1 —расположены
нараллел! но; 2 — н'ботылой наклон; 3—сильно ияк юи’ны друг к
Другу.
Полосы Хайдингера (полосы равного наклона)
Полосы Хайдингера исключительно удобны для проверки
качества плоскопараллельных поверхностей. На рис. 25 справа
показан обычный способ наблюдения полос Хайдингера при
исследовании качества плоскопараллельных пластинок. Положе-
ние глаза наблюдателя по отношению к отраженному изображе-
нию представлено на том же рисунке справа внизу. Эти полосы
располагаются в том же порядке, как н кольца Ньютона, появ-
Рис. 25. Полосы Хайдингера (проверка плоскопараллель-
ных пластинок).
а— способ проверки полу посеребренных плоскопараллельных пл а.
станок: 1 — исследуемая пластинка; 2 — разрядная трубка (источ-
ник света); 3 — матовое или молочное стекло; 4 — черный фон;
б — способ проверки «“посеребренных пластинок: 5 — исследуе-
мая пластинка; 6 — молочное стекло; 7 —разрядная трубка; 8 —полу-
посеребренное плоское зеркало; 9 — вид полос Хайдингера и места,
где отражается глаз наблюдателя.
ляющиеся при соприкосновении сферы с плоскостью. Различие
состоит лишь в том, что ньютоновы кольца становятся видны
между плоскостью и сферой при фокусировке глаза на тонкий
промежуточный слой воздуха, а полосы Хайдингера наблюдаются
при аккомодации глаза на бесконечность или при помощи зри-
тельной трубы. Для исследования этим методом оптических
поверхностей различных деталей (призм, зеркал и пр.) необхо-
дима вспомогательная плоскопараллельная пластинка.
Кольца (или полосы) Ньютона представляют собою геометри-
ческие места точек, соответствующих равной оптической тол-
щине слоя воздуха, полосы же Хайдингера —это геометрические
места точек, где лучи, „идущие от глаза‘% должны иметь рав-
ный наклон относительно плоскопараллельной пластинки. Полосы
Хайдингера наблюдаются обычно лишь при нормальном падении
Света на исследуемое изделие, при этом, чтобы произвести иссле-
дование различных участков поверхности из гелия, плоскопарал-
73
лельную пластинку с изделием надо передвигать в бок. Об изме-
нении толщины слоя воздуха между изделием и плоскопараллель-
ной пластинкой, от одного края ее до другого, свидетельствует
появление или исчезновение полос. То же следует иметь в виду
и при исследовании толщины самой плоскопараллельной пла-
стинки. Появление и исчезновение кольца или полосы соответ-
ствует изменению толщины на X 2. Для более тщательных изме-
рений применяют зрительную трубу. Полевая труба с широким
полем зрения, снабженная микрометром с нитью, очень удобна
для измерения диаметров колец. При помощи такой трубы можно
отсчитать одну десятую долю ширины кольца. Для стекол с коэфи-
циентом преломления 1,5 одна десятая указывает па разность
толщин 1,5 X Ю— 6 см.
Испытание оптической поверхности с помощью малых
отверстий
Другим весьма удобным методом изучения оптических
систем, дающих изображение, является метод получения изобра-
жений точечного источника света. Для изучения таких изобра-
жений удобна сильная лупа, например триплет Гастингса
Этот способ называется способом точечного источника
света, потому что он сводится к такому методу исследования,
которым пользуется астроном при наблюдении звезды в окуляр
астрономического телескопа в ясную ночь. Такое испытание
оказывается наиболее чувствительным для обнаружения астиг-
матизма. При этом должны быть изучены изображения, получа-
ющиеся перед фокусом и за ним, равно как и фокальные. Рекомен-
дуется результат таких испытаний записывать и зарисовывать
хотя бы примерной кривой распределения интенсивности света
вдоль горизонтального диаметра изображения. Рис. 26,// иллюстри-
рует изображение точки, даваемое хорошим (по не вполне совер-
шенным) сферическим зеркалом, проверяемым из центра кривизны;
рис. 26, IV дает изображение точки для переисправленного пара-
болического зеркала, тоже из центра кривизны; рис. 26, VI дает
результат испытания зеркала с очень легким астигматизмом,
а на рис. 33 представлено сравнение испытания зеркала с помощью
точечного источника света с результатами испытаний по методам
Фуко, Рончи и Гартмана. (Д. Д. Максутов „Теневые методы
исследования оптических систем4’, Л., 1934).
Метод испытания оптической поверхности, предложенный Фуко
(с лезвием ножа)
Метод ножа Фуко обычно применяют для определения цен-
тральной сферической аберрации, особенно при испытании изделий
с довольно большой апертурой, как, например, линз или зеркал
для астрономических труб и телескопов.
?4
Рис. 26. Испытание оптических поверхностей методом получения
изображения светящейся точки.
1 Исследование очень хорошего сферического зеркала диаметром 2Н> мм
относительным отверстием в 1/16, у которого понижая средняя зона на глу-
u относительный^, Р ед.,я здметно при пользовании методом Фуко.
п R.,n изобпажения’искусственной звезды (отверстие 0 7 р), рассматриваемого
В nv^Tv с увеличением в 20 раз, и кривые распределения интенсивности на разных
пасс"ояниях от фокуса: 1-расстояние на- 2,5 мм; 2 - то же па-1.2 мм; 3-
Р в самом фокусе; 4-за фокусом+ 1,2 мм; 5-то же на + 2,э мм.
1П Исплавленное параболическое зеркало диаметром ЗОЭ мм с отверстием f 8.
Исследование производится в центре кривизны (1/16), что дает впечатление отогну-
псе л а тых краев и пониженнэи зоны в середине.
IV Пии изобоалтения искусственной звезды, как и в предыдущем случае: 1 — изо-
бражение п°оед фокусом на — 2,5 мм; 2 —то же на —1,2 мм; 5 — в самом фокуса;
Сражение 4 4_за фокусом на +1,2 мм; 5—то же на + 2,-э мм.
V Типичное астигматичное зеркало. Астигматизм можно только обнаружить
методом Фука и оценить его возможно, если он резко выражен.
VI Вид искусственной звезды и распределение интенсивности в изображении:
1 п»п₽л ihoKvcoM- 2 — в фокусе вертикальной плоскости; 3—круг наилучшеи
сходимости с аберрациями; 4-в фокусе горизонтальной плоскости; 5-за фокусом.
Этот метод оказывается наиболее простым в применении к сфе-
рическим вогнутым поверхностям с большими радиусами. В тон
кой металлической пластинке острой иглой прокалывают малень-
кое отверстие и освещают его лампой, при чем его на ю распо-
ложить между исследуемой оптической системой и лампой. Для
получения отверстия рекомендуется положить на наковальню
несколько рядов металлических пластинок и стопку проткнуть
до половины острой иглой. Затем пластинки разъединяют и вы-
бирают из них одну с наиболее подходящим отверстием. К аж
Рис. 27. Испытание методом Фуко (метод ножа).
I —ниж между фокусом и зеркалом: 1—лезвие ножа; 2 — точечный источник
света; 3 — глаз наблюдателя; II—нож в фокусе; III — нож за фокусом; IV;
4 — нож перед фокусом зоны г; 5 — в фокусе зоны «; 6 — за фокусом зоны в.
лая такая пластинка будет иметь маленькое круглое отверстие,
однако диаметры всех этих отверстий будут различны. Выбран-
ное отверстие помещают почти в самом центре кривизны зер-
кала (рис. 27). Свет от отверстия отражается зеркалом и дает
изображение на таком же, как само отверстие-расстоянии от центра
кривизны, с противоположной от него стороны.
Если глаз поместить позади этого изображения таким образом,
что свет будет попадать в него со всех частей зеркала, то вся
апертура зеркала будет казаться равномерно освещенной. Если
непрозрачный экран, например лезвие ножа, передвигать через
точку фокуса в направлении к отверстию, то вся апертура дол-
жна казаться равномерно темнеющей в том случае, если зеркало
действительно сферическое, как на рис. 27, //. Если лезвие ножа
двигают поперек светового конуса на небольшом расстоянии от
76
Рис. 28. Различные способы осуществления испытаний пл методу Фуко.
л — испытание сферических зер-
кал из цгнтра кривизны:
1 — светящаяся точка; 2 — лез-
вил ножа.
t>— испытание короткофокусных
сферических 8°ркал:
1 — монохроматическая светя-
щаяся точка; 2 — нож; 3 —хо-
роший объектив микроскопа,
испытание плоскости с вспо-
могательным сферическим зер-
калом. Нож и отверстие рядом.
И отступление от плоскости,
отмеченное сагитальным рас-
стоянием ft, вызывает астшмя-
тизм м°жду фокальными рас-
стояниями в вертикальной
и в горизонтальной плос-
костях. Соотношение между
(£>
л и А/? будет: ft ——
1 —пробное сферическое зер-
кало; 2 — исследуемая пло-
скость.
d—исследование параболическо-
го зеркала по зонам из цент-
ра кривизны. R — радиус
кривизны в середине. Фокус-
ное расстояние зоны »а“= /?4
4- — при сближении ножа
и светящейся точки.
«— исследование параболического
зеркала с помощью светя-
щейся точки в фикусе его:
1 — свет звезды; 2 — пробное
плоское зеркало.
f — исследование параболиче-
ского зеркала в фокусе его
с помощью вспомогательного
плоского зеркала:
1 —плоское пробное зеркало
с отверсти°м.
S—ДРУгои способ испытания
параболического зеркала с по-
мощью плоского:
1 — плоское пробное зеркало;
2 — параболическое зеркало
с отверстием.
Л — испытание гиперболического зеркала с помощью сферического пробного зеркала»
1 — сферическое пробное зеркало для испытания выпуклого гиперболического зеркала
системы Кассегрена.
— исследование гипербол ического зеркала с помощью плоского и параболического зеркала:
1 плоское зеркало; 2—параболическое зеркало; 3 — гиперболическое выпуклое зеркало.
'-—исследование эллипсоидального зеркала:
1—посеребренный шарик; 2—световые лучи, фокусируемые на шарике при исследовании
эллипсоидального зеркала Грегори.
к — исследование объектива Шмидта:
1—пробное сферическое зеркало; 2 — фокусное расстояние зоны »а“—/?-}-
сблизить пеж и светящуюся точку при корректировании объектива Шмидта.
у’
R '
если
!—исследование объектива Шмидта:
1—пробная линза (хороший объектив); 2 — монохроматический свет, сфокусированный «а
посеребренном шарике; 3—светофильтр.
фокуса со стороны зеркала, то его тень, как это видно в зеркале,
будет двигаться в том же направлении, что и лезвие ножа
(рис. 27, /); если лезвие ножа поместить дальше от зеркала, чем
его фокус, то тень будет двигаться в противоположном напра-
влении (рис. 27, ПГ). Таким образом можно с большой точностью
определить положение фокуса зеркала.
В случае, если зеркало несовершенно, как это изображено на
рис. 27, IV, в одну точку сходятся не все лучи, и если лезвие
ножа будет пересекать эти сходящиеся световые лучи, отражен-
ные от зеркала, то поверхность зеркала будет казаться глазу
Рис. 29. Способ Фуко, применяемый для ахроматов, предназначен-
ных для собирания параллельных и расходящихся лучей. Пригоден
для исследования микрообъективов и призм.
I. Телескопический объектив: 1—монохроматическая светящаяся точка; 2 —-
плоское пробное зеркало.
И. Линза, работающая в сопряженных фокусах: 3—монохроматический источник
света.
III. Исследование микрообъектива: 4—окрашенный светофильтр; 5 — дефект в по-
серебренном зеркале; 6 — конденсор.
IV. Исследование призмы: 7 — пробный объектив; 8 — плоское пробное зеркало;
9 — монохроматическая светящаяся точка и нож.
освещенной неравномерно; некоторые лучи совершенно срезаются
лезвием ножа, тогда как другие проходят около него и попа-
дают в глаз. Зеркало, изображенное на рисунке справа, имеет
промежуточную приподнятую зону. Фокусное расстояние части
зеркала с внутренней стороны от зоны с меньше, чем фокусное
расстояние наружной части зеркала Ь. Если лезвие ножа попало
как раз на расстояние среднего фокуса сходящихся лучей, то те
лучи, которые отражаются от участков поверхности зеркала,
центр кривизны которых находится точно на лезвии ножа, ока-
жутся ослабленными; например, лучи, идущие от участков с,
попадают в глаз без ослабления, тогда как лучи, идущие от Ь,
полностью срезаются лезвием ножа. Согласно этому, участок с
кажется нам очень ярким, а участок b — очень темным.
Вид зеркала, когда лезвие ножа и глаз находятся в таких по-
ложениях, как было указано, представляется нам таким, как будто
оно вылеплено из гипса и освещено сбоку косыми лучами света,
-идущими от воображаемого источника (Л. И, 6, 8, 11, 12). Обычно
светящаяся точка помещается с правой стороны от центра кри-
визны, а правый глаз наблюдателя — с левой. В таком случае,
если лезвие ножа перерезает изображение слева направо, то наблю-
дателю кажется, что воображаемый источник света освещает
-,,лепной“ диск справа, ему представляется, что видимые им тени
получаются от наклонных лучей с этой стороны.
Наблюдая тени на линзах, испытатель полагает, что освеще-
ние получается слева.
Различные более сложные установки для способа Фуко изобра-
жены на рис. 28 и 29. На этих двух рисунках испытательное
зеркало или объектив безупречного (или, по крайней мере, высо-
кого) качества незаштрихованы, а испытуемое зеркало или
объектив заштрихованы.
Испытание оптической поверхности с помощью лезвия
ножа по зонам
Асферические зеркала, в частности параболические, можно
-исследовать из среднего центра их кривизны даже без дополни-
тельного испытательного плоского зеркала путем измерения
радиусов кривизны стекла в различных зонах. Для этого зеркало
покрывают картонной диафрагмой с отверстиями, расположенны-
ми против зон, подлежащих испытанию. Расположение отверстий
в центре, по краям и на расстоянии 0,707 радиуса от центра изо-
бражено на рис. 30. Если зеркало параболическое и на него
смотрят без диафрагмы, то появляется характерная тень, показан-
ная на рис. 23 справа сверху. Измеренная разница в фокусном
расстоянии центральной зоны и зоны у края, если смотреть с диа-
фрагмой, должна быть г2 2 /?, где 7? будет радиусом кривизны
середины зеркала, а г—радиусом окружности на зеркале. Этот
прием особенно пригоден для исследования малых зеркал, чтобы
определить, распространяется ли в достаточной мере по поверх-
ности зеркала промежуточная возвышенная зона, как изобра-
жено на рис. 23, чтобы придать зеркалу действительно параболи-
ческую форму.
Диафрагмы для очень больших параболических зеркал или
зеркал с относительным отверстием //4,5 и более следует изго-
товлять такой формы, чтобы можно было измерять радиус кри-
визны большого числа зон. Обычно зеркала с относительным
отверстием /10 и меньше не требуется параболизировать, если
только их диаметр не превосходит 600 мм. Другой способ при-
менения метода Фуко с лезвием ножа для получения количе-
ственного результата описан Е. Гавиола (Л. II, 6). При этом
способе наклон различных зон относительно середины поверхно-
сти зеркала определяется путем измерения положений лезвия
79
ножа, пересекающего световые лучи, отраженные от соответству-
ющих зон.
Во всякой установке, где мы пользуемся лезвием ножа, и, ко-
нечно, главным образам тогда, когда нужно произвести точные
количественные зональные измерения, важно избежать парал-
лакса. Поэтому для исследования астрономических зеркал тре-
Рис. 30. Исследование зер-
кала по зонам с помощью
картонной диафрагмы с от-
верстиями (7) и (2). Наруж-
ный край (о) совпадает
с краем зеркала.
Это типична» зональная диафраг-
ма для параболического зеркала.
Если при этой диафрагм-» длину
радиуса кривизны середины зер-
кала обозначим /?, то длина ра-
диуса кривизны в средней промежу-
_я
точной зоне должна бытт /?Д—
на краю зеркала она R +
Прим°р: для зеркала 0 = 15 см с
фокус 5м = 120 см радиус кри-
визны в середине рав₽н 240 см.
в средней зона 240 Д- 0,57, а на
краю 240 Д-1,2 см. Радиус кри-
визны в середине нет надобности
точно измерять.
буется более сложная установка, чем уста-
новка, представленная на рис. 27, доста-
точная для оценки зеркал малых размеров
со значительным радиусом кривизны.
Параллакс появляется всякий раз,
когда приходится пользоваться более
чем одним зеркалом. Например, когда
приходится исследовать параболическое
зеркало в его фокусе с дополнительным
плоским зеркалом (рис. 28). При этом
параллакс возникает благодаря тому,
что луч, идущий из булавочного отвер-
стия и падающий на параболическое зер-
кало в одной определенной точке, по-
сле отражения от плоского зеркала воз-
вращается уже к другой точке на па-
раболическом зеркале. Расстояние меж-
ду этими двумя точками на параболи-
ческом зеркале бывает несколько ко-
роче, чем расстояние между булавочным
отверстием и лезвием ножа, как это лег-
ко понять на основании геометрических
соображений. И все же в данном случае
расстояние это может оказаться доста-
точным, чтобы привести к обманчивым
выводам. В результате такого параллакса
нельзя судить о качестве поверхно-
сти зеркала пи в одной из этих двух
точек, результат оценки поверхности
получается какой-то средний для обеих
точек. Этот средний результат не имеет большой ценности
и может оказаться весьма сбивчивым, если влияние ошибок
в одной точке параболического зеркала компенсируется противо-
положными ошибками в другой точке. Более совершенная уста-
новка для исследования с лезвием ножа представлена на рис. 31.
На рис. 32 изображены две детали ее, предназначенные для того,
чтобы избежать появления параллакса.
Приспособление, показанное слева, устраняет параллакс путем
оптического совмещения лезвия ножа с самим булавочным отвер-
стием— мнимое изображение булавочного отверстия в полупро-
зрачном зеркале, поставленное под углом 45е, сделанное из тонкой
пленки, располагается точно на самом лезвии ножа. Полупро-
80
Рис. 31. Детали установки для применения метода Фуко.
1 — разрез детали с отверстием для светящейся точки; 2 — призма с и-лпм ор
и гранями размером 5 —6 мм. посеребренная и покрытая лаком; 3 — отверстиеfiv ™
вочное в фольге; закрепляется под этой прижимающей пружиной- 4 — пччкя пяй
поворота; 5 —квадратное отверстие, заменяющее лезвие ножа- 6 —
подлежащее испытанию; 7 - булавочное отверстие; 8- вертикальные nannV™:
ные для установки отверстия по высоте; 9 — квадратное отверстие бокйпы-
стороны которого заменяют нож; 10 — место зрачка глаза наблюдателя- 11 - КПХ
лампы; 12 - установочный винт для поворота в вертикальной плоскости 14У-
огжимная пружина; 14 — шариковые найравляющи» и крепление шаоика- К
винт для бокового перемещения; 16 —разрезная тайка (половина гайки по
лающая быстрое перемещение если ее поднять, укрепленная на прижимающ”й
пружине для точной и 1рубои установки; 17-головка вита с деяниями
соответствующими перемещению па 0,01 мм; 18-сам винт для измерения пЛ£
мещений при измерении фокусов разных зон; 19-две ахроматические линзы от
бинокля на расстоянии об—60 мм друг от друга; 20-вентиляционные отверстия
в кожухе лампы; 21 — ленточная проекционная лампа 6 вольт — ЧА r г.
размером 10 XI.-5 мм. леи точкой
б Стронг
зрачпое зеркало из пленки изготовляется еле дующим образом:
слой лака наливают на наклонную стеклянную пластинку. После
того как лак немного затвердеет, его снимают со с текла под
водой, затем пленку лака наклеивают на плоскую поверхность
латунной рамочки, высушивают до конца и способом испарения
наносят на нее полупрозрачный серебряный (или лучше плати-
новый или алюминиевый. Прим, ред.) слой.
Рве. 32. Светящаяся точка.
1 — направление к зеркалу и от зеркала; 2 — самое отверстие; 3—
полупос сребренный слой на зеркале; 4—направление луча от источ-
ника света; 5—край квадратного отверстия (лезвие); 6—зрачок
глаза наблюдателя; 7 и 8 — направление от зеркала и к зеркалу; 9 —
лезвие ножа, образующее край щели; 10 — закрытая со всех сторон
призма полного отражения.
В приспособлении, изображенном с правой стороны рис. 32,
вместо булавочного отверстия применена щель. В этом приспо-
соблении параллакс устраняется помощью такого простого спо-
соба, как поворот всей детали по азимуту на полоборота по
отношению к исследуемом}/ диаметру.
Способ испытания Рончи
Способ Рончи мы изложим лишь вкратце, поскольку он не
нашел широкого применения, а подробное объяснение его довольно
сложно (Л. II, 2, 7).
Этот способ определения дефектов зеркала изображен на рис. 33
и 34. Небольшой источник света освещает зеркало сквозь
проволочную решетку (около 4 линий на миллиметр), а изобра-
жение его получается сквозь другой участок той же решетки.
Ниже мы укажем сравнительные результаты исследований поверх-
ности одного и того же зеркала методом светящейся точки, ме-
тодом Рончи и методом Гартмана. На рис. 34 представлен упро-
щенный прием проверки качества линзы с помощью решетки
Рончи.
Хорошая линза дает совершенно прямые изображения линии
решетки Рончи.
82
II
2
Рис. 33. Сравнение между собой способов исследования зеркал мето-
дами Фуко, изображения точки, Рончи и Гартмана.
' 3
>. Схематическая диаграмма фокальных лучей для зеркала, соответствующего дан-
ному рисунку. Оно имело 075 мм и радиус кривизны 525 мм: А—расстояние 512,5 мм;
JB—расстояние 25 мм: 1 —фокус зоны х; 2—фокус зоны у\ 3 — фокус зоны z.
Л. Метод Фуко — нож расположен снизу: 1—лезвие в фокусе зоны г; 2 — лезвие
в фокусе зоны у; 3 — лезвие в фокусе зоны х.
III. Исследование методом изображения точки: 1— экран, закрывающий зеркало
по частям для выделения зон; 2 —окуляр, сфокусированный на плоскость а перед
фокусом, дает изображение зон х,у, г; 3 — окуляр, сфокусированный на плоскость
b за фокусом, дает изображение зон х, у, z.
IV. Исследование зеркала по Рончи с решеткой, имевшей 6 ниток иа мм: 1 —
решетка перед фокусом в с; 2 — решетка за фокусом в d.
V. Способ Гартмана: 1 — отверстия в экране 0 3 мм; 2—металлический экран.
Покрывающий все зеркало; 3 — картина при помещении зрачка перед фокусом
в плоскости е; 4 — картина при помещении зрачка за фокусом в /.
Способ испытания, предложенный Гартманом
гу диафрагму помещают непосредственно
Рис. 34. Исследование линзы по Рончи.
I — решетка с выгравированными линиями (от 3 до 5 на мм);
2 — исследуемый объектив; 3 — свет от далекого фонаря;
4 — картина, видимая в простой линзе; 5 — картина в исправ-
ленном объективе.
Испытание оптических поверхностей по Гартману сходно
с испытанием линз по методу Рончи, наглядно представленному на
рис. 34. Сначала надо изготовить диафрагму, подобную изобра-
женной внизу слева на рис. 33, с несколькими отверстиями, рас-
положенными на соответствующих расстояниях друг от друга,
перед зеркалом или
объективом. В ме-
тоде Фуко ошибки
поверхности зеркала
определяют по бо-
ковому взаимному
смещению различ-
ных лучей относи-
тельно друг друга,
когда они проходят
через фокус; способ
Гартмана оценивает
положение этих лу-
чей относительно со-
седних лучей в точ-
ках, находящихся ли-
бо внутри фокуса в е,
либо вне фокуса в /.
Относительное рас-
положение отвер-
стий в пластинке и
две картины распределения лучей, которые наблюдают сквозь
отверстие, помещенное в плоскостях е и /, показаны на рис. 33.
Преимущества испытания по Гартману, по сравнению с испы-
танием другими методами (рис. 33), состоят в том, что при при-
менении этого способа отпадает необходимость определять сред-
ний фокус и что результаты испытания легко зафиксировать
фотографически; оба эти обстоятельства делают метод особенно
полезным для исправления и ретуши объективов, предназначаю-
щихся для работы в ультрафиолетовой области спектра.
Центрировка системы зеркал
В более сложных испытательных установках, представленных
на рис. 28 и 29, часто бывает довольно трудно центрировать зер-
кала или объективы. Однако для этого можно с выгодой ис-
пользовать появление комы, наблюдаемое в изображении светя-
щейся точки. В оптической системе, которая не выверена надле-
жащим образом, кома бывает довольно велика и ясно указывает,
в каком направлении следует переместить зеркало, чтобы полу-
чить круглые изображения (Л. П, 18, 22).
84
Некоторые оптики натягивают две белые нити под прямым
углом друг к другу поперек лицевой стороны одного из зер-
кал. Когда эти нити и все их вторичные изображения, рассматри-
ваемые из фокуса, окажутся симметричными, тогда система
выверена.
Два особых способа получения оптических поверхностей
Как мы уже указывали, задача оптика состоит в изготов-
лении точных поверхностей зеркал, объективов, призм и т. д.,
облачающих высоким качеством полировки. Обычно это делают
вручную или при помощи упрощенного станка Дрепера, как
было описано выше. Это можно сделать также при помощи
быстроходного станка с ручным управлением, который будет опи-
сан ниже. Процесс обработки поверхности на машине Дрепера
или от руки протекает медленнее, но при этом получаются
более точные результаты. Упрощенная машина Дрепера была
изображена на рис. 10. В этом случае у машины используют
один кривошип, приспособление для уравновешивания поли-
ровальника, автоматический контроль за ходом полироваль-
ника. а также и небольшой ход его и упрощенное крепление
обрабатываемого изделия. В противоположность этому быстро-
ходный станок с ручным рычагом, представленный на рис. 35,
обладает большой скоростью и простотой конструкции. Шпин-
дель в нем вращается со скоростью от 100 до 600 оборотов в ми-
нуту. Естественно, что получающееся при этом выделение тепла
и большая скорость срезания слоя стекла не дают возможности
получить большую точность обработки изделия.
Обработка оптических поверхностей на станке
с ручным рычагом
Полировальник, обычно применяемый на этом станке, может
быть надет на быстроходный шпиндель, как показано на рис. 35,
или изделие может быть прикреплено к шпинделю воском,
а полировальник наложен на него сверху. В первом случае
муфту, служащую для крепления изделия на рычаге, приклеивают
к нему смесью, состоящей из двух частей каменноугольной
смолы на одну часть просеянной древесной золы. Если полиро-
вальник крепится сверху, то и муфту следует переставить.
Предварительную обдирку можно сделать на рычажной
машине или на машине Дрепера железным кольцевым полиро-
вальником меньшего диаметра. Если этот кольцевой полироваль-
ник двигать вперед и назад через центр с коротким ходом
так, чтобы инструмент не заходил за края, то поверхность
получается вогнутой. Длинный ход со значительным сдвигом
полировальника за край изделия дает выпуклую поверхность.
Полировальник, насаженный на ось, приводится в быстрое вра-
85
щение. В конце шлифовки его смазывают смесью порошка кар-
борунда 90 с водой. Плавное возрастание кривизны изделия
измеряют накладыванием шаблона. Последний обычно вырезают
на станке из тонкой пластинки латуни или бронзы.
Окончательную шлифовку производят на ручном станке сфе-
рическим шлифовальником из латуни такого же диаметра, как
Рис. 35. Новая монель полировальной машины.
1—рукоятка; 2 — лагунная шайба с наклеенной линзой; 3 — шарнирное
соединение; 4 — ось; 5—смола; 6—гриб с полировальником:7— кожух,
предназначенный для того, чтобы абразив не попал в подшипники; 8 —
станина стальная; 9 — жестяной тазе коническим приподнятым отверстием
в середине; 10 — шпиндель со шкивом для круглого ремня (скорость от 75
до 100 оборотов в минуту); П — конический шкив.
К дну таза следует припаять болты, чтобы его можно было снимать для
чистки и ставить точно на место. Подшипники шариковые, имеющиеся в
продаже, высшего качества, должны быть защищены от абразива. Патрон
нужно подобрать так, чтобы он соответствовал конусу шкива средних
ходовых образцов.
и само изделие. Сферический шлифовальник делают следующим
образом: на токарном станке по способу, изображенному на
рис. 36, вытачивают из латуни верхнюю и нижнюю части его,
при чем и та и другая должны быть одинаковой кривизны.
Затем их притирают друг к другу карборундом, чтобы получить
более совершенные сферические поверхности. Если нет токар-
ного станка, их можно отшлифовать заранее на ручном станке
до желательной точности посредством третьего металлического
86
кольцевого полировальника, а затем притереть друг к другу.
В центре любого полировальника, с которым придется работать,
рекомендуется вырезать углубление. Диаметр углубления дол-
жен быть приблизительно в отну двадцатую общего диаметра
инструмента. После того как посредством шлифовки кольцевым
инструментом достигнута надлежащая кривизна из телия, кольце-
вой инструмент заменяют сферическим латунным и окончатель-
ную шлифовку производят карборундом 90, ,,F“, 600 и нажда-
ком 302 1 ,. Во время процесса шлифования сдвиг инструмента
в отношении изделия никогда не должен быть настолько боль-
Рис. 36. Обработка деталей резцом на токарном станке.
1 — стержень такой длины, как радиус кривизны детали; 2 — выпуклая
деталь; 3 —углубление в боковых стенках для установки концов стержня;
4— углубление в бабке для конца стержня; 5 — углубление в задней бабке
для конца стержня; 6 — положение стержня для вытачивания вогнутых
деталей; 7 — суппорт; он должен все время упираться в стержень при по-
даче резца поперек станка.
шим, чтобы инструмент и изделие вращались в противоположном
направлении.
Полировка заканчивается на ручном станке с крокусом на
смоляной подкладке. Для этого тот же латунный шлифовальник,
который перед тем применяли для шлифовки, можно подогреть,
покрыть слоем твердой смолы или чистого пчелиного воска
и применить для полировки. Пока воск еще теплый, его, для
придания надлежащей формы, прижимают к точно отшлифован-
ному изделию (увлажненному мылом с глицериновым раство-
ром). Толщина слоя смолы при этом должна быть' в пределах
от 3 до 6 мм. Часть этого слоя (в центре его) надо снять так,
чтобы образовалось углубление в одну двадцатую долю диа-
метра инструмента. Кроме того, в этом же слое прорезают1
канавки, которые облегчают контакт между смолой и изделием.
Если углубление в центре слоя окажется слишком большим,
края изделия будут полироваться скорее, чем центр; если это
87'
углубление чрезмерно мало и смола с краев инструмента
снята, сначала будет полироваться центр. Быстрота, с которой
происходит полировка центра изделия или его краев, зависит
от длины хода полировальника. Небольшие сдвиги полироваль-
ника способствуют более быстрой полировке краев, большие
смещения — более быстрой полировке в центре. Способ наблю-
дения за качеством полировки несложен: на изделие направляют
сильный свет и наблюдают за исчезновением „посерения", полу-
чающегося от остаточных впадин, образовавшихся при шлифовке.
Если полировка задерживается, нужно изменить длину хода
полировальника и вновь обработать его поверхность.
Для придания на ручном станке асферическим линзам соот-
ветствующей формы надо пользоваться полировальником мень-
шего диаметра (звездообразным или кольцевым).
Малые линзы центрируют на шпинделе, сдвигая их немного
поперек оси, пока воск, на котором их приклеивают, еще теп-
лый. Шпиндель надо медленно поворачивать, и если изображе-
ние какого-нибудь предмета (всего лучше небольшого источ-
ника света), получаемое при отражении от обрабатываемой
поверхности, при вращении линзы не описывает круга, эксцен-
тричного с осью, то центрировка считается законченной.
После центрировки изделия на торце латунной трубки, зажа-
той в патроне токарного станка, как было описано выше, его
надо обточить по краям железным шлифовальником с крупнозер-
нистым песком (рис. 6).
Взаимное расположение двух оптических поверхностей
Хотя мы подробно описали наиболее важные этапы процесса
получения хорошей оптической поверхности, однако вопросы
ориентации этой поверхности относительно общей формы изде-
лия или относительно других оптических поверхностей остались
еще неосвещенными. Это вопросы, которые оптики обычно раз-
решают довольно просто. Тем не менее, при изготовлении
призм (особенно прямоугольных) и плоскопараллельных пласти-
нок способы получения надлежащего взаимного расположения
двух обрабатываемых плоскостей не так просты. Полчаса поли-
ровки на станке Дрепера или несколько минут полировки
на шпиндельном станке обычно дают уже достаточную степень
полировки двум шлифовальным поверхностям, чтобы можно
было их исследовать и определить угол между ними на сто-
лике гониометра (например, в спектрометре) или другими опти-
ческими способами исследования. Точность прямых углов
в прямоугольных призмах обычно проверяют, основываясь на их
свойстве поворачивать обратно пучок лучей света точно на 180е.
Это испытание обладает чувствительностью, позволяющей заме-
тить ошибку до 1 угловой минуты, если его проводить нево-
оруженным глазом, а если его выполнить с применением зритель-
вв
Рис. 37. Изготовление двухгранных углов призм.
1—когда заготовка призмы вырезана, то оставшиеся обрезки блока оптическою
стекла употребляют для крепления заготовки; 2 — эти обрезки располагают па плос-
ком куске картона (толщина 1,5—2 мм) около заготовки так, чтобы заполнить
по возможности описанный около заготовки круг, оставляя между ними промежут-
ки в 5—6 мм. Между ними на картон тщательно вмазывают слой воска толщиною
1,5 мм; 3 —на все это надевают цилиндр из железной трубы и прижимают его
край к воску, а в него наливают кашицу гипса толщиной 5—7 мм между всеми
кусками; 4 — поверх гипса между кусками плотно набивают вату, оставляя до верху
пространство на глубину 6—7 мм; 5 — потом заливают второй слой гипса
толщиной 7—8 мм; 6_— железное кольцо поворачивают, снимают картон и воск,
соскабливая его на 0,5—1 мм ниже поверхности детали. Стеклянные поверхности
образуют как бы один диск, готовый для обработки. Так как гипс с течением вре-
мени может изменить свою форму, то все операции тонкой шлифовки, полировки
и ретуши следует выполнять в один день.
ной трубы, с окуляром Гаусса, то чувствительность увеличи-
вается, снижая ошибку приблизительно до 1 угловой секунды.
Плоскопараллельные пластинки шлифуют с точностью прибли-
зительно до 1 — 2 микронов. Для испытания с такой же точ-
ностью качества стекла на параллельность граней можно приме-
нить обычные хорошие микрометры. Окончательная оптическая
точность на плоскопараллельных пластинках достигается ретушью.
Контролем качества ретуши может служить описанный выше
метод Хайдингера или способ Рончи с решеткой. Плоско-
параллельные пластинки обычно изготовляют в форме кружков,
из которых потом уже, если потребуется, вырезают прямо-
угольники.
Блокировка
Поскольку круглые стеклянные пластинки легче изготовлять,
чем квадратные или прямоугольные, то болванку призмы рекомен-
дуется установить в металлическое кольцо, как показано на
рис. 37, вместе со всеми вспомогательными стеклами, имеющими
такой же коэфициент расширения; последнее необходимо для
создания круглой площади из нескольких стеклянных поверх-
ностей. Эту круглую площадь надо закрепить гипсом в метал-
лическом кольце и затем обрабатывать как единый стеклян-
ный диск. Части могут быть залиты одним толстым слоем
гипса, хотя двойной слой — лучше (рис. 37). В таких случаях
рекомендуется пользоваться смесью, состоящей из трех частей
гипса и двух частей воды. Этот состав почти не дает усадки,
хотя и не является очень крепким. Изделие сначала следует
покрыть тонким слоем пчелиного воска в случаях, когда лиш-
няя влага в гипсе может подействовать (химически) на стекло.
После того как гипс затвердеет, его поверхность покрывают
шеллаком, чтобы сделать ее водонепроницаемой. Шлифовку
и проверку формы следует заканчивать в один день, иначе
из-за „старения** гипса средняя часть и боковые вспомогатель-
ные поверхности не обеспечат удовлетворительной выверки.
Кварц и исландский шпат (кальцит)
Когда оптические поверхности приходится выполнять на
кристаллах, часто бывает необходимо точно ориентировать эти
поверхности относительно осей кристаллов. На рис. 38 показан
способ точного определения направления оптической оси кварца.
Кристалл с двух сторон подрезают алмазной пилой, чтобы срезы
были примерно перпендикулярными к оптической оси. Эти
сделанные пилой параллельные срезы затем шлифуют абразива-
ми — карборундом 150—и искусственно просветляют посредством
наклеивания на них канадским бальзамом или глицерином двух
покровных стекол. Для определения оптической оси пользуются
so
i
Рис. 38. Проверка натяжений и оценка однородности
материала с помощью поляризационного прибора
Нюренберга
1 — призма Николя или Глана-Томпсона как анализатор; 2 — иссле-
дуемый кристалл кварца — две грани его срезаны и отшлифованы
карборундом 150, а на них канадским бальзамом (или глицерином)
наклеены два плоских покровных стекла; 3 — стеклянный плоский
столик укреплен на горизонтальных осях в металлическом кольце;
4 — кольцо это может поворачиваться в горизонтальной плоскости;
5—кусок транспортира для отсчета угла наклона кристалла; отсчеты
должны быть в 1,4 раза больше для исключения рефракции на гранях;
6— поляризатор из оконного стекла, зачерненного лаком с нижней
стороны; 7 — источник света; 8 — матовое или молочное стекло;
9 — метка на стекле столика, чтобы фиксировать направление осн;
10 — вид типичного образца кварца (по фотографии); 11 — искрив-
ление колец, обусловленное двойникованием; 12 — неправильности,
обусловленные ростом кристалла; 13 — направление вращения сто-
лика; 14 — направление смешения колец в правом и в левом кварце.
поляризованным светом (рис. 38). Система колец, видимая сквозь
анализатор, останется неподвижной при повороте кристалла
вокруг вертикальной оси только в том случае, когда срезы перпен-
дикулярны к главной оптической оси. Если кольца „расплываются"
Рис. 39. Обработка кальцита (исландского шпата).
о) Ориентация осей. Ь) Срезы для изготовления „николей". с) и d) При-
емы рязрезывания кристаллов при изготовлении „никэлей“.
1—кристалл, подлежащий разрезанию; 2— двухгранный угол в 115° 10';
3 — направляющие для пилы; 4 — подача кашицы карборунда 7 или 400;
5 — модный провод—жесткий; 6 — кристалл, подлежащий разрезанию,
залитый гипсом.
при вращении кристалла, то ось вращения его нужно посред-
ством шарнирных соединений (или посредством клиньев) накло-
нять до тех пор, пока кольца не останутся неподвижными при
поворотах.
Концы кристалла следует тогда вновь обрезать, принимая
во внимание рефракцию, и подвергнуть вновь такому же испы-
танию, пока не получится удовлетворительный результат.
Когда вырезанный определенным образом кристалл кварца
вращается в направлении часовой стрелки, кольца сжимаются
92
к центру, если кристалл является левосторонним, и разбегаются,
если он является правосторонним кварцем.
Бесформенный кусок кварца можно глубоко исследовать
на свили с помощью погружения его в иммерсию — в бак,
наполненный раствором, состоящим из 80% этил-циннамата
и 20% ксилола (по объему). Пятна окиси железа удаляют
с поверхности кристалла путем промывания его в растворе
щавелевой кислоты.
Ориентация главной оси исландского шпата показана на рис. 39
(верхний рисунок). Чтобы вырезать куски исландского шпата,
нужные для изготовления николей, ориентированный надлежащим
образом кристалл закрепляют в деревянной форме так, чтобы
плоскость разреза, намеченная относительно предварительных
срезов пилой, получила правильную ориентацию. Разрез кристалла
делают от руки, при чем пропиливают как кристалл, так и слой
гипса при помощи твердо закаленной медной проволоки, натянутой
на лобзик и покрытой мелкими зернами карборунда.
Оптическая обработка кристаллов
Кварц является излюбленным материалом оптиков. Как плавле-
ный, так и кристаллический кварц шлифуют и полируют таким
же способом, как и стекло.
Кристаллы исландского шпата (кальцита), особенно крупные,
дороги, и, кроме того, они мягки и ломки. Ввиду этого исландский
шпат всегда обрабатывают вручную с очень слабыми нажимами.
Даже самые мелкие карборундовые зерна имеют тенденцию
вызывать в кальците трещины, поэтому для обработки рекомен-
дуются лишь карборунды серии „F“—400—600 и наждаки 302 72
и 303 7S. Если нужно очень точно изготовить призмы с несколь-
кими гранями, то в качестве наиболее грубого абразива приме-
няют карборунд 400. Смоляная подкладка, покрытая пчелиным
воском, вполне удовлетворительна для полировки и придания
надлежащей формы исландскому шпату. Кристалл, предназначен-
ный для ретуши, следует объединить в один блок с другими
кристаллами исландского шпата одинаковой ориентации.
Полировку каменной соли, после того как ей приданы надле-
жащие очертания, осуществляют полировальником с твердой смо-
лой; для этого ее надо зажать между двумя стеклянными пластин-
ками (Л. П, 3). Желаемая форма поверхности каменной соли полу-
чается посредством переисправленных стеклянных полировальни-
ков, так как форма, обычно получаемая, чаще всего оказывается вы-
пуклой по сравнению с формой, образующейся на полировальнике
при наличии защитных накладок. Например, при обработке
плоскости следует применять несколько вогнутый полировальник
в виде четырехдюймового диска с радиусом кривизны в 10 м.
В начале полировки применяют крокус, размешанный в насы-
щенном соляном ррстворе. На рис. 40 показаны установка смоляного
S3
полировальника, помещающегося под изделием, и столик, покрытый
замшей, на котором производят сушку изделия. Изделие до тех
пор трут о полировальник, пока крокус почти не станет сухим.
При последних заканчивающих ходах влагу на изделие подают
просто дыханием, затем изделие скользящим движением пере-
носят с полировальника на замшу для просушки. Технику этого
процесса следует сначала изучить и усвоить на пробных экземпля-
рах. Во время обработки второй поверхности первую поверхность
Рис. 40. Полировка кристаллов.
1 — призма из каменной соли (готовые грани, покрытые лаком); 2 — дере-
вянный диск, обтянутый сукном и замшей; 3 — когда смола станет почти
сухой, последние движения выполняются на замше; 4 — смоляной поли-
ровальник покрыт пчелиным воском и смочен смесью крокуса с насы-
щенным раствором соли.
призмы или линзы покрывают лаком или воском во избежание
влияния влаги. Смоляной полировальник следует покрывать еще
слоем пчелиного воска. Пчелиный воск пригоден и для обработки
более мягких материалов, чем каменная соль, как, например, для
сильвина, бромистого калия и даже йодистого калия.
Полировка металлов1
Наиболее важным металлом в оптике является, пожалуй,
зеркальный металл, применяемый для обычных отражательных
зеркал. Он весьма тверд, обнаруживает, как и стекло, раковистый
излом; его обрабатывают таким же способом, как стекло, и шлю
фуют абразивами в такой же последовательности. Полировальник
должен иметь очень узкие фаски. Во избежание царапин часто
бывает очень выгодно придавать зеркальным поверхностям
последнюю отделку, повернув их вниз.
Сплав гстеллит“ обрабатывают так же, как и стекло, однако
при этом требуются более продолжительные сроки шлифования
(в два или три раза более, чем для стекла). Обычно в качестве
полирующего вещества для полировальников применяют крокус
1 Теория и техника полировки металлов и стекла детально разработаны в Госу-
дарственном Оптическом институте академиком И. В. Гребенщиковым и др.
В нашей промышленности получила широкое распространение „паста ГОИ“,
ускоряющая полировку. Подробнее см. работы сотрудников ГОИ. Прим. ре<).
94
или окись хрома. Следует стремиться сохранить форму, при-
данную шлифовкой, до тех пор, пока не закончена полировка.
Твердую сталь обрабатывают таким же способом, как и
стекло. Для шлифовки мягкой стали применяют шлифовальники
из более мягкого материала, например из меди или из свинца.
Мягкая сталь и закаленная медь трудно поддаются полировке,
но их иногда удается более легко обработать с помощью полиро-
вальника, покрытого смесью парафина и окиси олова. К распла-
вленному парафину добавляют столько окиси, сколько он может
включить в себя без раскрошивания. Эту смесь в горячем вите
намазывают на смоляной полировальник.
Если металл во время полировки обнаруживает стремление
к коррозии или к потускнению, рекомендуется применить в каче-
стве полирующего вещества уголь (древесный уголь должен
быть смолот в шаровой мельнице и хорошо промыт). Окись
хрома часто придает яркую полировку в тех случаях, когда
крокус дал бы лишь мутную поверхность металла (Л. II, 2, 12).
Наиболее мягкие металлы (серебро, мягкая медь, золото
и т. д.) не так легко поддаются обработке обычными оптическими
методами. Поверхность их при обработке забивается шлифующими
веществами и не поддается дальнейшей шлифовке. Серебряные
круги, на которых нанесены штрихи шкал, становятся яркими,
если поверхность их протирать большим пальцем с увлажненной
табачной золой в направлении параллельном штрихам, двигая па-
лец вперед и назад вдоль штрихов.
Объектив Шмидта
Оптическая система Шмидта является объективом, облада-
ющим такими свойствами, которых нет у других обычных опти-
ческих систем, и, хотя он обладает некоторыми недостатками,
однако оказывается наиболее удобным для простого и естествен-
ного решения весьма большого числа разнообразных инстру-
ментальных проблем, помимо тех, для которых он был перво-
начально предназначен (Л. II, 3, 7, 9, 10).
Этот объектив нашел широкое применение в астрономии, особен-
но для фотографирования метеоров и для наблюдения больших
звездных полей. Его применили к звездным спектрографам, .и,несо-
мненно, он может оказаться незаменимым во всех исследованиях,
где необходимы крайняя быстрота, широкая полоса пропуска-
ния по спектру и широкое поле зрения. Объектив Шмидта имеет,
однако, два существенных недостатка — искривление фокальной
поверхности и недоступность держателя пластинки или пленки.
Кривизна фокальной поверхности равна /?<2, где/?—радиус кри-
визны самого зеркала. Эта фокальная поверхность выпукла в ту же
сторону, как и сфера зеркала.
Изготовление объектива Шмидта оказывается, к сожалению,
так сложно, что его может выполнить только человек, имеющий
^5
11
I
a
Рис. 41. Объектив Шмидта.
1 — радиус кривизны R; 2 — радиус фокальной поверхности приблизи-
тельно равный /?/2; 3 —фокальная поверхность; 4 — сферическое зеркало;
5 — относительное отверстие; 6—корригирующая линза; 7 — слишком боль-
шой прогиб; 8— наименьшее количество стекла надо снять; 9 — наимень-
шая хроматическая аберрация; 10—слишком толстое стекло.
Подобное распределение кривизны можно расположить по обе стороны
линзы, имея в виду, что необходимо сохранить значение (/ — ДО- При этом
_ Y*-kr* Ya
~4 (п-1) /?»'
где А — постоянное число между 0 и 4. а п—показатель преломления стекля
линзы
значительный опыт в оптике? Ниже мы приводим описание его
в общих чертах.
Схема прибора изображена наверху рис. 41. Она состоит из
сферического зеркала и линзы Шмидта, которая исправляет
аберрации основного зеркала. Линза эта помещается на расстоя-
нии, равном расстоянию центра кривизны от сферического зеркала,
и отклонение ее поверхностей от плоскости так мало, что боль-
шой ошибки за счет хроматизма не получается, если принять
во внимание малую дисперсию света в том сорте стекла, из
которого она обычно бывает сделана. Как бы то ни было, но
те требования, которые предъявляются необходимостью внести
исправление в оптические параметры сферического зеркала,
обусловливают настолько большое отклонение поверхности линзы
от плоскости, что вносят большие трудности в процесс изгото-
вления этого объектива.
Линза Шмидта может иметь несколько очертаний, как пока-
зано на рис. 41. Вариации в толщине можно получить путем
создания искривлений поверхности лишь с одной стороны пла-
стинки или по обе стороны ее. Изменение в толщине пластинки
при диаметре 2г, выраженное как функция расстояния от центра
пластинки у и радиуса кривизны R основного сферического
зеркала, можно представить какой-нибудь одной из семейства
кривых, удовлетворяющих формуле:
\/ - ~
—4(л-1)А?! ’
где k может иметь любое значение между 0 и 4.
Характерные особенности некоторых из этих кривых следующие:
если k = 4, то линза получается слишком толстой; если k = G,
то наклон у краев получается такой крутой, что сильно воз-
растают затруднения при изготовлении; при k —1,5 достигается
оптимальный ахроматизм, а когда k = 1, то наклоны умеренные,
цветовые характеристики поверхности с помощью колец Ньютона
получаются хорошие, и одна половина кривизны может быть
создана с одной стороны пластинки, а вторая с другой. В случае,
когда k = 1, обработка поверхности требует наименьшего снятия
стекла.
Линзу в объективе Шмидта изготовляют часто из увиолевого
стекла или даже из плавленого кварца, если имеют в виду
применение его для фотографирования в ультрафиолетовой
области спектра. Объектив Шмидта изготовлялся с различными
нумерическими апертурами до максимальной их величины /70,6.
Такие объективы работают значительно быстрее, чем объективы
из нескольких стеклянных линз, имеющие то же значение
1 В последние три года широкое распространение получили системы типа
Шмидта и разные способы их изготовления. Прим. ред.
7 Строит
S7
апертур, так как свет проходит сквозь меньшее число стеклян-
ных поверхностей, и потери света оказываются соответственно
значительно меньше.
Линзу Шмидта шлифуют и полируют специальным кольцевым
инструментом. Каждую из стеклянных фацеток для шлифовки
или смоляных фацеток для полировки надо крепить на отдель-
ной пружине, как показано на рис. 42. Такая или подобная ей
гибкая конструкция инструмента необходима, поскольку от него
требуется значительная деформируемость.
Кривая, соответствующая Л = 1, требует, чтобы толщина
в центре была такой же, как у края. Это можно проверить, при-
Рис. 42. Полировальник для изготовления линз Шмидта.
а — задняя сторона полировальника; б — его лицевая сторона. 1 — секторы
из фосфористой бронзы должны быть вырезаны из цельного куска листо-
вого металла в том же направлении, как он был прокатан, чтобы их упру-
гость распределилась относительно диаметра симметрично; 2 — для шли-
фовки на концы пружин приклеивают стеклянные и ти бронзовые фапетю.'..
Для полировки применяют фацетки из смолы.
дожив край линейки по диаметру изделия: она должна коснуться
центра, но не качаться на нем. Минимум толщины пластинки
соответствует —0,707г. Его определяют по сравнению с ее тол-
щиной у края, а значение Д/ вычисляют по указанной формуле.
Промежуточная зона от края до минимальной толщины
постепенно снимается шлифовкой до тех пор, пока не получится
в нужной, согласно измерению микрометром, толщине.
Ретушь можно доводить, руководствуясь испытаниями по
схемам, изображенным снизу на рис. 28.1
1 В СССР оптическую систему Шмидта подробно изучал Д. Д. Максут он
(Гос. Опт. институт) и показал, что во многих случаях линзу Шмидта целесо-
образно заменить стеклянным мениском со сферическими поверхностями, что
чрезвычайно упрощает и удешевляет ее изготовление. С ”. Д. Д. Максутов.
„Астринглмическая оптика*, Техтеорстиздат, Москва, 1947. Прим. реи.
ГЛАВА III
ТЕХНИКА ВЫСОКОГО ВАКУУМА1
Законы для идеальных газов
Для проектирования, конструирования и работы с вакуумными
установками важно знать некоторые уравнения кинетической
теории газа. Поэтому с. них мы и начнем наше изложение тех-
ники высокого вакуума. Мы не даем вывод этих уравнений,
так как нас интересуют только их приложения.
Законы для идеальных газов математически выражают урав-
нения (1) и (2):
РГ=Р,+Р2+. .,ра.
(2.1
Pi есть полное давление, испытываемое стенками сосуда,
содержащего грамм газа с молекулярным весом Л1и если
сосуд имеет объем V при абсолютной температуре Т. Если сосуд
содержит не один, а несколько газов, например, если в нем
грамм одного газа с молекулярным весом /И,, грамм второго
газа с молекулярным весом и т. д., то парциальное давление,
создаваемое каждым газом, удовлетворяет уравнению (1).
Полное давление, удовлетворяющее уравнению (2), есть сумма
этих парциальных давлений. Значение постоянной /?, так назы-
ваемой универсальной газовой постоянной, не зависит от моле-
кулярного веса газа, но зависит от единиц, в которых выражены
давление и объем. При работе с вакуумом давление обычно
1 Последнее время мы наблюдаем интенсивное развитие техники высокого
вакуума и его применение как для целей исследования природы, так и в раз-
личных отраслях производства. Поэтому материал, изложенный в этой главе,
далеко не отражает современного состояния этой области. Однако образного
изложения достигнутых результатов еще не существует и читателю следует реко-
мендовать следить за текущей литературой, изучив предварительно основные
руководства: Дюнуайе „Практическое руководство по вакуумной техника ,
Дэшман „Техника высокого вакуума", Goetz „Pliysik und Technik des Hoel*»
vakuums“, Braunschweig, 1926, Kaye „High vacua", New York, 1927.
99
7*
выражают в миллиметрах ртутного столба, а объем в кубиче-
ских сантиметрах; в таком случае R имеет значение 62,370.
Уравнения (1) и (2) выведены в предположении, во-первых, что
молекулы бесконечно малы, во-вторых, что отсутствуют между-
молекулярные силы. Ни одно из этих предположений не'верно
для реальных газов. Тем не менее эти уравнения описывают
поведение реальных газов, особенно водорода и гелия, с до-
статочной для наших целей точностью. Хотя эти уравнения
перестают быть справедливыми при повышенных давлениях
(давление больше чем 1 ат.), они становятся все более точными,
если давление уменьшается. При давлениях, встречающихся
в вакуумных работах, уравнения (1) и (2) не только применимы
для характеристики поведения всех газов, но они также довольно
точно отражают свойства многих ненасыщенных паров.
Средняя длина свободного пути
Средняя длина свободного пути — среднее расстояние, кото-
рое молекула проходит между двумя последовательными столк-
новениями с другими молекулами. Значение этой величины
определяется размерами молекул и выражается формулой:
1
1'2 *
(3)
где
о —есть диаметр молекулы, а
п— число молекул в кубическом сантиметре.
В табл. 1 даны значения средней длины свободного пути для
азота, вычисленные по уравнению (3), при чем для диаметра мо-
лекулы принято значение 3,1ХЮ~8см.
Таблица 1
Средняя длина свободного пути молекул азота при 0' С
Давление в мм ртутного столба Средняя длина свободного пути
760 1 10“3 Ю“4 10~5 = кХ 10~9 8,5X10”® см ‘ 0.0065 см 6,5 см 65 см 6.5 м 65 м 65000 м
100
Внутреннее трение и теплопроводность
Внутреннее трение и теплопроводность газа, подобно средней
длине свободного пути, также зависят от диаметра молекул.
Существует связь между длиной свободного пути и йоэфициен-
том внутреннего тренич т(, выражающаяся формулой:
4=4 (4)
и связь межу коэфициентом внутреннего трения и коэфицнентом
теплопроводности К, выражающаяся формулой:
(5)
В этих формулах о обозначает плотность газа в граммах на
один кубический сантиметр; cv— теплоемкость при постоянном
объеме единицы массы газа и £ — постоянная, равная 2,5 для
одноатомных и 1,9 для двухатомных газов, а Фаг/— средняя
скорость молекул, определяемая равенством:
v — т /?>1><19.1Л_см сек. (fy
| Л1
Зависимость между о, A, и К для различных газов пред-
ставлена в табл. 2.
Таблица 2
Свойства газов при 7=273“ К
Газ Диаме гры мо- лекул (а X 108 см) Коэфициенг внутреннего трения (Yj х JO6 CM) Коэфициент теплопроводно- сти (КХЮ6 см)
Водород .... • . . . . 2,47 86 318
Азот . . 3,50 166 52
КиСЛОр.';Д 3,39 187 56
Гелий . 2,18 189 339
Аргон . 3,36 210 38,9
Подставляя в равенство (4) PM RT вместо р и выражение
(3) вместо л, мы видим, что давление сокращается. Другими
словами, из уравнения (4) видно, что внутреннее трение при по-
ниженном давлении будет таким же, как и при обычных давле-
ниях. Экспериментальное подтверждение этого теоретического
101
вывода, данное О. Мейером и Д. К. Максвеллом, явилось триум-
фом кинетической теории. Они измеряли затухание крутильного
маятника под колоколом воздушного насоса при давлениях,
изменявшихся от 1 ат до примерно 10 мм высоты ртутного
столба. Было найдено, что затухание, обусловленное внутренним
трением воздуха, оставалось при всех давлениях тем же самым.
Согласно уравнению (5) теплопроводность также не зависит
от давления. Экспериментально это было установлено Стефа-
ном (Л. III, 47, 60).
Уравнения (4) и (5) выведены в предположении, что длина
свободного пути мала по сравнению с размерами сосуда. Табл. 1
показывает давления, при которых это предположение теряет
свое значение.
Если бы Мейер и Максвелл уменьшили давление в колоколе
ниже примерно 10-1 мм, они обнаружили бы уменьшение зату-
хания крутильного маятника,Точно также, если бы Стефан рас-
ширил свои наблюдения, он нашел бы уменьшение теплопровод-
ности около 1СГ1 мм и ее полное исчезновение ниже пример-
но 10-4мм (Л. III, 3, 40, 41, 53).
Скорость откачки
Предположим, что сосуд содержит газ при давлении Р и при
помощи открытого крана сообщается с сосудами, где поддержи-
вается высокий вакуум. Далее предположим, что этот высокий
вакуум поддерживается при давлении настолько малом по
сравнению с Р, что он, по существу, может считаться полным
вакуумом. Объем газа, входящий через кран за единицу времени
dVjdt и измеренный при давлении Р, выражается формулой:
С32Х10' Т СМ» сек, (7)
где
А— площадь отверстия крана.
Значение dVIdt для воздуха (7И = 29) при комнатной темпе-
ратуре (7’-300 Кельвина) оказывается 11 700 см3 в секунду
сквозь см2, или 11,7 литров в секунду сквозь см2.
Замечательным в этой формуле является то, что dVjdt не
зависит от давления в сосуде.
Подобное гипотетическое отверстие площадью в 1 см2, сое-
диняющее сосуд с газом с почти совершенным вакуумом, можно
рассматривать как насос со скоростью откачки 11,7 л сек. Ма-
сляные и ртутные диффузионные насосы имеют два свойства,
аналогичные свойствам таких отверстий. Они действительно
дают скорость откачки такого же порядка, как и описанное
отверстие в кране, и наблюдаемые у них скорости откачки,
грубо говоря, постоянны в значительном интервале давлений.
102
Таким образом, скорость диффузионного насоса выражается
как объем газа, проходящий через шейку насоса при давлении,
которое имеется у шейки. Скоростной фактор насоса (коэфициент
скорости откачки) есть отношение его скорости на единицу
площади шейки к значению 11,7 л еек. Хороший масляный диф-
фузионный насос имеет скоростной фактор около 0,5 или 0,6.
Скоростной фактор ртутных диффузионных насосов (Л. III. 33,31)
бывает разный — от 0,1 до 0,3.
Скорость откачки диффузионных насосов может быть изме-
рена с помощью приспособления, подоб-
ного тому, которое изображено на рис. 1.
Газ при атмосферном давлении может вы-
ходить из откачиваемого сосуда в откачива-
ющую систему. Скорость, с которой вво-
дится газ, измеряется по движению ртут-
ного столбика в калиброванной капилляр-
ной трубке. В то же самое время давле-
ние у шейки насоса измеряется посред-
ством вакуумметра. Скорость, с которой
газ уходит сквозь насос, получается умно-
жением объема, проходимого ртутным
столбиком за единицу времени, на отно-
шение давления в капилляре (т. е. баро-
метрического давления) к давлению, кото-
рое имеется у шейки насоса.
Проводимость откачивающих вакуумных
линий
Обычно насос соединяется с аппаратом
либо одной трубкой, либо системой тру-
бок, которые образуют вакуумную откачива-
ющую линию. Если мы будем измерять
скорость откачки насосом, присоединенным
к началу системы (Х(1), то скорость откачки
насосом, присоединенным к концу ее (5),
будет меньше, чем первая. Конечно, раз-
ность между 50 и S будет мала, если трубки
коротки и имеют большой диаметр. Раз-
ность между и So-1 определяет про-
пускную способность вакуумной системы.
Пропускная способность есть величина, обратная сопротивлению
вакуумной линии потоку газа U/. Зависимость между величи-
нами So, S и W выражается формулой:
Рис. 1. Измерение ско-
рости откачки.
1 — столбик ртути; 2 — калиб.
роканиый стеклянный капил-
ляр; <Г - замазка; 4 — латунь;
5—винт с мелкой резьбой;
6 — смазка краноиая; 7 —ско-
шенный канал; 8 — кэническэе
острие; 9 — к накуумной си-
стеме.
1
S
(8^
103
В свою очередь величина W определяется в зависимости от
размеров трубок по Кнудсеновской формуле:
№--=1,59 х 10^Д/27у— (Д+^j) сек./см8, (9)
где
/ — длина откачивающей линии, а
d — ее диаметр; обе величины выражены в сантиметрах
(Л. Ш, 29, 31, 32, 33, 55).
Первый член в скобках представляет сопротивление самой
линии, в то время как второй — сопротивление обоих концов
линии (или сопротивление крутого изгиба линии). Второй член
обычно незначителен по сравнению с первым и им можно пре-
небречь. В. Клозе, например, нашел, что прямой откачивающий
канал с четырьмя прямоугольными изгибами, канал с четырьмя
Т-образными расширениями и изогнутая трубка одного и того
же диаметра дают в основном ту же скорость откачки.
Коэфициент в уравнении (9) обращается в единицу, если
вместо М подставить молекулярный вес воздуха 29, вместо Г—
комнатную температуру 300° К и 8г8 вместо rf8, где г—радиус
трубки. Далее V и г можно выразить в миллиметрах, a IF в сек./л»
вместо сек./см8. После этих преобразований и пренебрегая вто-
рым членом в скобках, уравнение (9) получает следующий вид:
№ = ^-сек.'л. (1С)
В качестве примера практического применения уравнения (10)
рассмотрим откачивающую трубку в 250 мм длиной и радиусом
5 мм. Уравнение дает значение IF равное 2 сек./л. Подставляя
это значение в уравнение (8), мы увидим, что скорость откачки 5
сквозь эту трубку никогда не может превзойти — л/сек., даже
если использовать очень быстрый насос, для которого 1/SO прак-
тически равно нулю.
Откачка
Факторами, определяющими скорость, с которой откачивается
вся вакуумная установка, являются объем откачиваемого сосуда F,
эффективная скорость системы насосов 5 и предельное давле-
ние, которое способны достичь насосы PG. Способ измерения
первого фактора V очевиден. Значение S может быть вычислено
из значений 50 и W по формулам (8) и (10) или может быть
получено присоединением к установке соответствующего изме-
рительного прибора, описанного выше, из утечки и вакуумметра.
Значение Ро оценить нелегко; его необходимо измерить
с помощью манометра. Давление PQ не зависит от скорости откачки
104
насосов в хорошо уплотненных системах, которые подлежат от-
качке. Если же система течет или выделяет газ, то Ро зависит как
от скорости течи, так и от скорости откачки. В хорошо уплотнен-
ных эвакуируемых системах предельное давление Рс для ртутных
диффузионных насосов. снабженных ловушкой с жидким возду-
хом, бывает 10~7 мм и меньше. Для масляных диффузионных
насосов без ловушки предельное давление колеблется от 10~5 до
10~с мм, хотя в литературе иногда и сообщаются значения
более низкие. Вакуум, получаемый с помощью механических
насосов, обычно бывает от 102 до 10“4 мм. Водоструйный насос
не может обеспечить давление ниже давления паров воды, т. е.
около 25 мм ртутного столба при комнатной температуре.
Влияние обезгаживания стенок сосуда и трубопровода на
предельное Ро иллюстрируется опытом, описанным Дэшманом
(Л.Ш 1,18). Он нашел предельное давление в 0,033 бара для вращаю-
щегося насоса Геде, соединенного с вакуумной установкой стеклян-
ной трубкой, выделявшей газ. Однако когда стеклянная трубка
была прогрета настолько, что ее поверхность стала свободной от
поглощенной ею влаги и других газообразных веществ, то пре-
дельное давление снизилось до 0,0007 бара.
Скорость, с которой уменьшается давление в эвакуируемом
приборе, определяемая скоростью откачки S, объемом прибора V
и предельным давлением Ро, дается уравнением:
^=_4(р_Рс). (п)
Интегрирование этого уравнения дает:
= (12)
Уравнение (12) полезно, например, для оценки времени (/2 — fj,
требуемого вакуумной системой, чтобы скомпенсировать приток
газа, повышающий давление до значения Рг В этом случае Р2
представляет собой то рабочее давление, которое требуется
получить в откачиваемом приборе.
Если Р2 и Pi много больше Ро, то Ро можно пренебречь,
и уравнение (12) может быть приведено к следующему виду:
Насосы предварительного разрежения (форвакуумные насосы)
Так называемые предварительные или грубые насосы приме-
няют для обеспечения надежной работы диффузионных насосов,
Так как последние могут эффективно работать только при очень
^алых разностях давления, начиная от давлений меньших, чем
105<
несколько десятых миллиметра ртутного столба. Чаще всего
применяют вращающиеся механические, так называемые форваку-
умные насосы. Скорости откачки некоторых вращающихся насо-
сов при разных давлениях приведены на рис. 2.
Рис. 2. Скорость откачки различными форвакуумными насосами,
Другие типы насосов, такие как водяной насос, вращающийся
насос Геде и насосы Шпренгеля и Теплера, редко теперь при-
меняют. Эти насосы описаны в литературе.
Форвакуумные насосы, изготовляемые в СССР
В настоящее время в лабораториях Советского Союза полу-
чили распространение несколько типов форвакуумных насосов,
так называемых одноступенчатых и двухступенчатых, сходных
с насосами, применяемыми в США. По своему устройству они
напоминают воздуходувки, но в отличие от них снабжены весьма
тщательно выполненными клапанами. Двухступенчатыми насо-
сами называются два насоса с одним общим валом и двигателем,
последовательно соединенные друг с другом. Одноступенчатые
насосы работают значительно быстрее, но не могут обеспечить
надлежащего разрежения воздуха. Они рсщко могут снижать
давление больше, чем до 0,1 мм ртутного столба, особенно если
они немного разработаются. Поэтому их обычно применяют только
при работе с ртутными пароструйными насосами (стеклянными
и стальными), которые менее требовательны по отношению к со-
вершенству форвакуума, чем пароструйные насосы с маслом.
Наилучший и достаточно мощный тип одноступенчатых насосов
разработан на Электрозаводе (Москва). Его стенки снабжены во-
дяным охлаждением. Он приводится в действие мотором трех-
106
фазного тока, мощностью в ? квт, соединенным с валом на-
соса широким ремнем, перекинутым через солидный маховик,
насаженный на ось насоса. И насос и мотор закреплены на ли-
той плите. Все это обеспечивает на нежную непрерывную работу,
исчисляемую неделями.
Другие одноступенчатые насосы не обла taior ни такой
солидностью, ни столь высокой производительностью.
Для работы с паромасляными насосами рекомендуются двух-
ступенчатые форвакуумные насосы, дающие уже рентгеновское
разрежение (до нескольких тысячных долей миллиметра ртут-
ного столба). Наилучшая модель насоса этого типа также разра-
ботана па Электрозаводе. Барабан двухступенчатого насоса го-
раздо меньше, чем барабан одноступенчатого, и производитель-
ность его в несколько раз ниже. Для охлаждения весь насос
погружен в прямоугольный литой чугунный бак, наполненный
до верху вакуумным маслом (турбинное масло М, прозрачный
сорт). Это масло в то же время обеспечивает уплотнение соеди-
нений и смазку. Насос приводится в движение трехфазным мо-
тором, укрепленным на кронштейне, приделанном к боковой
стенке резервуара. Движение передается при помощи зубчатки,
являющейся в то же время редуктором числа оборотов. Хотя
эта зубчатка почти целиком погружена в масло, она все же соз-
дает стук и шум, которые при длительной работе с насосом
сильно утомляют; это главный недостаток описываемого насоса,
от которого можно избавиться, если применить зубчатую пере-
дачу с косыми зубцами, обеспечивающими равномерное враще-
ние вала насоса.1 При условии применения хорошего чистого
масла и при условии защиты от пыли, насосы этого типа могут
работать месяцами без всякого ремонта (см. Чмутов, Техника
физического исследования).
И одноступенчатые и двухступенчатые насосы можно полу-
чать через учреждения, торгующие учебными пособиями и ла-
бораторным оборудованием.
Значение форвакуумного насоса для успеха работы и эконо-
мии времени настолько велико, что выбор его, размещение и орга-
низация обслуживания должны быть сделаны с максимальной
тщательностью. Особенно следует предохранять насос от пыли.
Масло перед заливкой в насос необходимо тщательно про-
фильтровать и просушить под пониженным давлением. Полезно
пропускать его через фильтр каплями в большую бутыль, сое-
диненную с форвакуумным насосом, который при этом удалит из
него влагу и летучие составные части. Масло при этом обычно
сильно пенится. Это очень утомительная операция, но ею не
1 В последнее время выпущены двухступенчатые форвакуумные насосы прп-
®°Димые в движелие ременной передачей с переменным натяжением ремня. Про-
ИЗводимый ими шум значительно меньше. Ред.
’07
еле чует пренебрегать, потому что часто прекрасный насос не
дает надлежащего вакуума только потому, что он заполнен не-
доброкачественным маслом. Полезно измерить давление паров
масла при нескольких температурах, близких к комнатной, и его
вязкость; слишком вязкое масло может сильно затруднить вра-
щение барабана. Следует помнить, что все форвакуумные насосы
при остановке требуют немедленного отключения от вакуумной
системы и сообщения входной трубки с атмосферным воздухом.
В противном случае масло из насоса будет засасываться
в систему, может ее загрязнить и совершенно испортить. Наи-
большее число аварий вакуумных установок обычно обусловли-
вается этой причиной.
Обезгаживание стекла и металлов
Обезгаживание удаляет газы, адсорбированные поверхностью
стекла и металла. Для получения наивысшего вакуума необхо-
димо тщательно обезгаживать все внутренние поверхности стекла
и металла. Продолжительное нагревание стекла при температуре
от 150 до 200е С с непрерывной тщательной откачкой достаточно
для удаления большинства газов, адсорбированных на поверх-
ности. Дальнейшее нагревание до 300° С удаляет с поверхности
стекла последний молекулярный слой воды и адсорбированных
газов. Если нагревание производится значительно выше этой
температуры, то может начаться выделение, газов, получающихся
от разложения стекла (Л. Ill, 55).
Практически прибор, сделанный из свинцового стекла, доста-
точно хорошо обезгаживается нагреванием в печи или легким
пламенем до температуры максимум 300е С в течение от 10 минут
до 1 часа или больше, в зависимости от размеров прибора
и сорта стекла. Известковое стекло и твердое стекло можно
нагревать соответственно до 400 и 500JC. Более высоких темпе-
ратур следует избегать, так как точка отжига или размягчения
мягкого стекла лежит уже нои 425 С, а твердого стекла —
при 50е С.
Прежде чем эвакуированный прибор отпаивать от насосов,
место отпайки следует нагревать минуту или две при темпеоа-
туре чуть-чуть ниже точки размягчения стекла.
Если металлы сильно прогревать в вакууме, то они выделяют
как адсорбированные, так и поглощенные (растворенные) ими
газы, а также газы, получающиеся от разложения окисей вблизи
поверхности. Газы под поверхностным слоем металла, как раство-
ренные, так и находящиеся в химическом соединении, удалить
трудно даже при повышенных температурах, если металл не до-
нодить до плавления. Окиси металлов, за исключением окиси
хрома, легко диссоциируют в вакууме при повышенных темпе-
ратурах. В настоящее время уже имеются в продаже металлы,
плавленые в вакууме,— они особенно пригодны для вакуумных
1(18
работ. Газ с поверхности вольфрамовой проволоки выделяется при
температуре 1500 С. От 70 до 80®'о этого газа составляет окись
углерода, а остальное — во юрод и двуокись углерода (Л. III, 45).
Объем выделяющихся с поверхности этого металла газов, изме-
ренный при нормальных условиях, в три или четыре раза пре-
восходит объем самой вольфрамовой проволоки. Свитсер изучал
газы, выделяемые медью, никелем, монель-металлом и покрытым
медью сплавом никеля с железом („платинит", „dinner). Он
нашел, что все эти металлы редко выделяют объем газов боль-
ший, чем объем самой проволоки (Л. Ill, 17).
Маршал и Нортон изучали газы, выделяемые вольфрамом, молиб-
деном и графитом (Л. III, 50). Эти материалы, будучи хорошо
обезгажены долгим прогревом в вакууме при температуре выше
1800° С, можно затем хранить даже при атмосферном давлении.
При этом поглощенные ими газы легко выделяются при после-
дующем нагревании в вакууме до умеренной температуры. Однако
к ним нельзя прикасаться пальцами.
В целях удаления поверхностного загрязнения многие ме-
таллы можно прогревать в водороде. Во время этого процесса
газы, растворенные вблизи поверхности металла, частично заме-
щаются водородом. Это замещение весьма желательно, так как
водород легко выходит, если металл прогревается затем в ва-
кууме в отжигательной печи или с помощью токов высокой час-
тоты.
Давление паров замазок
Табл. 3 дает результаты измерений Цабеля относительных
давлений паров замазок, употребляемых при вакуумных работах.
Приведенные здесь числа представляют результаты измерений,
сделанных с помощью ионизационного манометра (Л. III, 63).
Замазка, составленная из шеллака и бутилового фталата
(см. гл. XIII), судя по табл. 3, должна иметь низкое давление пара.
Таблица 3
Отношение давления паров различных материалов к давлению латуни
Материал Отношение
Пирекс 0,7
Железо 3,5
Железо, покрытое ржавчиной 250
Пицеин 4
Пчелиный воск и смола 5,5
Глипталь . . . . • 8,5
Замазка Котинского (как мягкая, так и твердая) . . от 15 до 25
Глипталсвый лак (высушенный) .... 2
5,4
Замазка для кранов 7
^Замазка Рамзая - - . . . . 85
109
Геттеры
В лабораторной практике диффузионный насос обычно исполь-
зуется для удаления тех остаточных газов, которые не могут
удалить грубые насосы; получающийся высокий вакуум поддер-
живают непрерывной откачкой. Однако имеются другие методы
удаления остаточных газов даже в приборах, отпаянных при давле-
нии, получаемом с грубым насосом (JI. Ill, 1). Эти методы тре-
буют применения так называемых „геттеров" (газопоглотителей),
которые вначале не только удаляют остаточные газы, но под-
держивают вакуум при возможном ухудшении его или при по-
следующем выделении газов.
Газопоглотители могут быть разделены на три класса, в зави-
симости от тех способов, какими они удаляют остаточные газы.
К первому относятся геттеры, основанные на физической адсорб-
ции остаточных газов охлажденной поверхностью пористого
вещества, подобного древесному углю или гелю кремниевой
кислоты; ко второму — геттеры, поглощающие газ подобно тому,
как водород поглощается палладиевой чернью или танталом;,
геттеры тпетьего класса соединяются химически с остаточным
газом.
Высокая поглощательная способность древесного угля и геля
кремниевой кислоты частично обязана их сильно развитой поверх-
ности. Например, определено, что поверхность древесного угля
составляет 2500 м2/Т. Поглощающий древесный уголь, который
должен применяться для удаления остаточного газа, сначала
сам должен быть обезгажен сильным нагреванием в вакууме,
полученном хотя бы при помощи грубых насосов. Он не должен,
однако, нагреваться выше температуры размягчения стекла
пирекс, так как тогда он теряет часть поглощательной способ-
ности благодаря так называемой „кристаллизации" древесного
угля и сопровождающей ее потере площади поверхности. После
такого обезгаживания вся вакуумная система отделяется от
насоса перекрыванием крана, и древесный уголь в ней охла-
ждается (предпочтительно жидким воздухом), чтобы увеличить
его поглощательную способность. Способность древесного угля
поглощать различные газы при ОС и — 185°С (температуры жид-
кого воздуха) приведена в табл. 4.
Из металлов, поглощающих газы, особый интерес для техники
представляет тантал. Он может поглотить объем газа (водорода;
в 740 раз больший его собственного объема даже при темпе-
ратуре до 600 С. Этот поглощенный газ вновь выделяется, если
металл нагревается в вакууме до температуры 800 С и более.
Тантал является одним из металлов, наиболее легко отдающих,
при высоких температурах, весь поглощенный и адсорбирован-
ный им на поверхности газ. При повышенных температурах
такие остаточные газы, как кислород и азот, исчезают также
вследствие химического соединения с танталом. В силу этих
ПО
свойств тантал часто применяют для анодов в радиолампах.
Почти так же, как тантал, ведут себя металлы колумбий
(ниобий) и цирконий.
Эффективными геттерами являются вольфрам и молибден при
температурах выше 1000 С (Л. Ill, 44,46). Кислород удаляется этими
металлами вследствие образования окисей (летучих, впрочем, при
температурах выше 1000е С). Водород на поверхности этих
металлов при высокой температуре диссоциирует и конденси-
руется в виде атомарного водорода на стенках сосуда, в осо-
бенности если они охлаждаются жидким воздухом.
Щелочные металлы реагируют с азотом, кислородом, водо-
ротом и парами ртути. Поглощение азота, кислорода и водорода
происходит особенно быстро, если щелочной металл «вляется
катодом при тлеющем разряде.
Таблица 4
Поглощательная способность кокосового угля или объем газа, взятого
при нормальных давлениях и температуре, поглощаемый единицей
объема угля
Газ 0°С • - 185°С I i
Гелий • 2 15 !
Водоро! ... - 4 135 ’
Аргон 12 175 1
Азот 15 155 1
Кислород 18 230 ;
Двуокись углерода . 21 190
Барий, кальций и магний широко применяются как геттеры,
так как они соединяются химически со всеми остаточными
газами (за исключением благородных газов). Барий химически
более активен, чем кальций. Эти металлы вводятся в вакуум-
ные приборы, в которых они должны служить геттерами, раз-
личными способами. Кальций может быть введен непосред-
ственно в виде свежих, свободных от окиси, опилок. Барий обычно
вводят в виде специального „пористого геттера- (покрытая
медью или никелем проволока, нарезываемая перед употребле-
нием па кусочки надлежащей величины). Эти металлы также
могут быть получены непосредственно в вакууме реакцией вос-
становления из их же соединений при повышенных температу-
рах. Введенный металл обычно подвергается испарению путем
нагревания его и конденсируется на стенках отпаянною вакуум-
ного приоора, образуя на них зеркальный налет. Геттерное дей-
ствие металла проявляется сильней, когда он находится в газо-
образной фазе., хотя и конденсированный зеркальный слой,
особенно слой бария, реагирует химически с остаточными
газами, которые могут с течением времени появляться в приборе.
Металлический зеркальный слой оказывает на остаточные
газы не только химическое, но и физическое действие. Это
физическое действие — адсорбция газов — проявляется особенно
сильно, так как поверхность металла, конденсированного
в вакууме, совершенно чиста. Дэшман дает элементарное вычи-
сление, иллюстрирующее это действие (Л. III, 16).
Сферический сосуд с радиусом 5 см, содержащий остаточный
газ при давлении около 1/10 мм ртутного столба, будет полно-
стью эвакуирован, если на внутренней поверхности сосуда или
на чистом зеркальном металлическом слое будет поглощено
геттером такое количество газа, какое обеспечит образование
мономолекулярного слоя.
Вода и многие другие пары могут быть удалены из эвакуируе-
мого прибора с помощью ловушки, охлаждаемой жидким воздухом.
Плотность водяного пара в газе, после того как он прошел
через такую ловушку, равна 10~2омг/л. Относительная эффек-
тивность некоторых из наиболее часто употребляемых сушите-
лей показана в табл. 5. Следует отметить перхлорат магния,
который не расплывается при насыщении его влагой, а остается
твердым и сухим наощупь. Он не загрязняет приборы.
Сушители
Т а б л и ц а 5
Сушители
1 мг воды на 1 л высу-
шенного при 25СС газа
Ловушка при температуре жидкого воздуха . .
Р2ОВ.........................•...............
Mg (С1О4)3...................................
Mg (СЮ4)3 ЗН2О...............................
H2SO4........................................
95-процентная H2SO4..........................
СаС12 (плавлены !)...........................
1,6 X Ю"23
X 10“5
X10-4
X 10~3
ХЮ-3
х icr’
1,4—2,5 X 10~*
Из них пятиокись фосфора наиболее часто применяется в ра-
ботах с вакуумом. Этот сушитель нужно предварительно распла-
влять, чтобы уменьшить начальное давление пара над ним и чтобы
пре(отвратить улетучивание в процессе откачки.
Статические и кинетические вакуумные системы
Большинство вакуумных приборов, применяемых в физических
исследованиях, распадаются на два главных класса. К первому
классу относятся приборы, которые должны быть тщательно
обезгажены и совершенно свободны от течи для того, чтобы
112
получать и сохранять
высокий вакуум. Мы
будем называть та-
кие приборы и уста-
новки, предназначен-
ные для их изготовле-
ния, статическими ва-
куумными системами в
противоположность си-
стемам, в которых бла-
годаря применению ис-
ключительно быстрых
насосов допускается
длительно непрерыв-
ное выделение газа
стеклянными и метал-
лическими частями или
даже маленькие течи.
Системы последнего
типа мы будем назы-
вать кинетическими ва-
куумными системами.
На рис. 3 представ-
лена типичная стати-
ческая вакуумная си-
стема: рентгеновская
трубка, откачиваемая
ртутным диффузион-
ным насосом со средней
скоростью. В хороших
статических вакуумных
установках и приборах
могут быть получены
давления ниже 10-9
(или даже 1О~10) мм.
Такой крайне высокий
вакуум требуется для
исследования фото-
электрического эффек-
та, термоионной эмис-
сии и других физиче-
ских явлений, когда
нужно избегать малей-
шего загрязнения по-
верхности. Статиче-
ские вакуумные систе-
мы и установки мы
Здеръ подробно рассма-
Рис. 3. Детали вакуумной установки с ртутным
диффузионным насосом.
1 — термометр; 2 — манометр Мзк-Леода; 3— печь из листового
железа с тепловой изоляцией из асбеста, подвешенная на бло-
ках с противовесами; 4 — откачиваемый предмет на железных
подставках; 5 — подогре*вательная спираль; 6 — доска с тепло-
вой изоляцией; 7 — ловушка с жидким воздухом; 8 — асбесто-
вая теплоизоляция; 9—двухступенчатый ртутный диффузионный
насос с подогревателем; 10— трубка водяного охлаждения; 11—
К форвакуумному насосу; 12 — порционный кран; 13 — резер-
вуар.
® Стронг
Рис. 4. Детали вакуумной установки с паромас-
ляным насосом. (Середина стола вынимается для
облегчения доступа к насосам).
1 — лопушка с жидким воздухом для манометра; 2 — мано-
метр Кнудсена; 3 — колпак, 4— стальная плита толщиной
25 мм, диаметром 4С0 мм; 5 —порционный кран, стеклян-
ный; 6 — изолированные вводы для подогревателя; 7—раз-
рядная трубка; 8— решетка, чтобы мелкие детали не могли
проваливаться в насос; S—труба 075 мм; 10 — водяное
охлаждение; 11 — вентильный кран; 12—резиновый шлангг
внутри 02i мм, снаружи 050 мм; 13—зажим; 14— метал-
лический тройник; 15 — к форвакуумному насосу; 16— сток
воды; 17—асбестовая защита; 18 — масляный насос 060 мм
с внутренним нагреванием; 19—масляный насос 0 150 мм
с плоской нагревательной спиралью.
тривать не будем. Чи-
татель, специально ин-
тересующийся ими,
должен обратиться к
соответствующей лите-
ратуре.
Кинетические ваку-
умные системы харак-
теризуются обычно
предельным давлением
от 10 5 до 10~6 мм, до-
стигаемым при приме-
нении исключительно
быстрых насосов. Эти
насосы, так же как и
приборы, которые они
откачивают, обычно
изготовляют в механи-
ческой мастерской из
обыкновенной латуни
и стали. При этом не
требуется специально
обезгаживать металлы,
как в статических ва-
куумных системах.
Кинетические ваку-
умные установки гру-
бее, чем статические,
в которых нужно тща-
тельно удалять все по-
верхностные загрязне-
ния. Однако они легче
осуществимы и могут
быть рекомендованы
для работ и приборов,
где вакуум нужен лишь
для того, чтобы поз-
волить беспрепятст-
венно двигаться моле-
кулярным лучам, элек-
тронам, ионам и свето-
вым квантам. Напри-
мер, кинетические ва-
куумные системы с ус-
пехом применяют для
испарения металлов в
вакууме, что необхо-
димо при покрытии
114
металлическим слоем зеркал больших телескопов, для поддержания
вакуума в высоковольтных рентгеновских трубках, в металли-
ческих выпрямителях, в осциллографах высокого напряжения
и проч., а также для откачки разного рода вакуум-спектрографов.
На рис. 4 изображена кинетическая вакуумная установка для
покрытия металлом небольших стеклянных зеркал. В таких уста-
новках имеются два основных препятствия на пути получения
высокого вакуума. Во-первых, невозможность обезгаживания от-
дельных частей и деталей нагреванием их вследствие примене-
ния вакуумных замазок, а также из-за того, что в откачиваемом
приборе имеются массивные предметы, например толстые сте-
клянные зеркала, которые нагревать небезопасно, во-вторых, в них
имеется большая опасность появления маленьких трудноулови-
мых течей, чем в установках для получения статического ваку-
ума. Например, установка, изображенная на рис. 4, должна в про-
цессе работы повторно открываться. Успехи в усовершенствова-
нии мощных масляных диффузионных насосов, которые несмотря
на эти недостатки обеспечивают требуемую степень вакуума,
и являются основной причиной того исключительно широкого
применения упрощенных вакуумных установок этого типа, сви-
детелями которого мы являемся в последнее время.
Диффузионные (пароструйные) насосы
Диффузионные насосы могут работать только при давлениях
меньше нескольких десятых миллиметра ртутного столба. Они ра-
ботают лучше при противодавлениях всего в несколько сотых
миллиметра ртутного столба. Необходимое снижение противо-
давления получается механическими так называемыми форваку-
умными насосами. На рис. 5 представлен парортутный диффузион-
ный насос в действии, который иллюстрирует осуществленное
Лангмюиром практическое применение принципа диффузионной
откачки, открытого еще Геде (Л. III, 26, 43). Ниже объяснено
действие как этого насоса, так и паромасляных диффузионных
насосов.
Поток ртутных паров получается нагреванием жидкой ртути
в кипятильнике В до температуры около 110сС. Этот поток
паров (показан на рисунке стрелками) выходит из кипятильника
сквозь сопло. Он отделяет резервуар N от резервуара М Пары
конденсируются на охлаждаемых водой стенках резервуара N,
при чем капли жидкости под влиянием силы тяжести стекают
в К11пяги,71ьник- Газовые молекулы из резервуара /V
Диффундируют в занятый паром, разделяющий оба сосуда, объем,
но они вряд ли могут проникнуть сквозь него в резервуар М.
олее вероятно, что они будут увлечены потоком обоатно в ре-
зервуар N. Молекулы же газа из резервуара Л1, диффундирую-
щие в паровой раздел, будут увлечены молекулярными столкно-
вениями в сосуд Л/, откуда их выкачивает механический насос.
8*
115
2
Рис. 5. Эскиз разреза
диффузионного насоса
Лангмюира.
i — к откачиваемому при-
бору. Перепад давления
достигает до 10 ®
Рис. 6. Насос Лангмю-
ира металлический
с зонтиком.
1 — зо нтик; 2 — водяно е
охлаждение; 3—рубашка.
Рис. 7. Диффузионный на-
сос Крауфорда.
1 — к откачиваемому прибору;
2 — к форвакуумному насосу; 3—
воздушное охлаждение.
10 — 7 мм, если форвакуум
измеряется 10 ° или
10—5 мм; 2—водяное охла-
ждение не выше 25° С;
3— к форвакууму — да-
вление воздуха 0,3 мм
ртутного столба необходи-
мо для начала работы на-
соса; 4 — кипятильник с
температурой 100—120°-
Рис. 8. Обычный диф-
фузионный насос с
соплом вниз.
1 —- асбестовая рубашка;
2—водяное охлаждение
Рис. 9 Двухступенчатый
ртутный насос по Курту.
1 — первая ступень; 2— вторая
ступень; 3 — водяное охлажде-
ние; 4 —асбестовая тепловая
изоляция; 5 — углубление для
подогревателя.
Рис. 10. Ртутный диф-
фузионный насос с
рядом ступеней.
1 — приток воздуха из от-
качиваемого прибора; 2 —
водяное охлаждение; 3 —
первый каскад; 4 — мно{
гоступенчатое сопло по
Шпренгелю (гелис); 5 —
к форвакуумному насосу;
6— асбестовая изоляция
Давление в резервуаре /V должно превышать давление в ре-
зервуаре Ж в 100 раз, если допустить, что скорость диффузии
сквозь объем, занятый паром, одна и та же в обоих направлениях.
Если резервуар W откачивается вторым вспомогательным диффу-
зионным насосом вместо механического насоса, то можно получить
давления до 10-7 мм ртутного столба и ниже в плотной свободной
от течи стеклянной установке, соединяющейся с сосудом Ж
(при условии, конечно, что ловушка с жихким воздухом препят-
ствует прониканию ртутного пара в откачиваемый прибор).
Рис. 11. Насос с
несколькими соп-
лами, работающи-
ми в параллель.
1 —план расположения
сопл; 2 — ртутные па-
ры; 3 — откачиваемый
воздух; 4— детали от-
дельного сопла.
Рис. 12. Мощный ме-
таллический насос с
несколькими соплами.
1 — ртутные пары; 2 — при-
ток воздуха из откачива-
емого прибора; 3 — водя-
ное охлаждение; 4—экран
0 2,4 см и 5— сопло
0 2,0 см.
Ртутные насосы изучались многими исследователями (Л. Ill, 11,
48, 61, 25,39,33). На рис. 6—12 представлены конструкции, выпол-
ненные в результате этого изучения. Мы не будем подробно
рассматривать эти насосы, так как нас интересуют главным обра-
зом кинетические вакуумные системы и паромасляные диффузион-
ные насосы. При помощи масляных насосов не трудно достигнуть
скорости откачки в несколько десятков или даже сотен литров
в секунду, в то время как скорость; достигаемая при помощи
обычных ртутных диффузионных насосов, не превышает долей
литра, редко — несколько литров в секунду.
117
Применение масел в диффузионных насосах
Попытки найти заменитель ртути в качестве рабочего мате-
риала в насосах делались неоднократно. Необходимость такой
замены объяснялась свойственным ей существенным недостатком:
давление паров ртути так высоко, что для предотвращения их
диффузии в вакуумную систему и порчи вакуума необходимы
ловушки с жидким воздухом. Последние, обладая высоким со-
противлением потоку газа, парализуют работу насоса.
В качестве заменителя ртути широко применяют некоторые
специально очищенные нефтяные масла типа нафтенов, получен-
ные Ббрчем (Л. III, 8), или органические соединения, подобные
бутиловому фталату, которые применили Хикмэн и Сенфорд
(Л. III, 32) в лаборатории Истмэн-Кодак.
Хикмэн предложил новое синтетическое органическое масло,
названное „октойль", которое признано лучше бутилового фта-
лата (Л. III, 31). Масла типа, полученного Бёрчем, изготовляют по
патентам Виккерса под торговым названием „апьезоновое масло".
В США можно получить подобные масла, дающие давления ниже
КГ8 мм ртутного столба1 (Л. III, 5, 38). Преимущества масляных
насосов перед ртутными заключаются в том, что они лишь в исклю-
чительных случаях требуют применения ловушек и могут быть
изготовлены из стекла, стали, латуни, бронзы и других метал-
лов, в то время как металлические ртутные насосы могут быть
сделаны только из стали со сварными соединениями. Латунные
и медные насосы могут быть спаяны мягкой пайкой, за исклю-
чением кипятильника и сопла, где рекомендуется применять
пайку серебром.
Различие между масляными и ртутными насосами по существу
невелико, — оно ограничивается способами применения ловушек
и особенностями некоторых деталей. Масляные насосы без ловушек
могут дать такое же низкое предельное давление, как и ртутные
насосы с ловушками, хотя скорость откачки ими может быть
достигнута во много раз большая. Если же применять ловушки,
то, вероятно, останется только небольшая разница между дости-
гаемыми предельными давлениями. Масляные насосы при этом
получают то преимущество, что ловушки с хорошо прокаленным
древесным углем при комнатной температуре оказываются столь
же эффективными, как и ловушки с жидким воздухом. Впрочем
применение ловушек с древесным углем сильно снижает высокую
скорость откачки масляных насосов.
Рекомендуется применять не один масляный насос, а по мень-
шей мере два, соединенных последовательно. Второй насос слу*
жит для непрерывной очистки масла от газов, поглощаемых пер-
вым насосом. Когда имеется второй насос, может быть достигнуто
1 Все эти типы масел освоены на наших вакуумных заводах. Ред.
118
более низкое предельное давление примерно в десять раз. Так
как ртутные насосы могут работать при более высоком давлении,
чем масляные, то во многих случаях удобнее применять в ка-
честве второго дополнительного ртутный диффузионный насос.
Конструкция масляных диффузионных насосов
Масляные диффузионные насосы во многих отношениях сходны
с ртутными диффузионными насосами. Они имеют те же рабочие
элементы: кипятильник для испарения масла и сопло для под-
вода пара к зазору. Они сходны и по способу работы. Масляные
пары выбрасываются из сопла насоса в зазор и конденсируются
на охлажденных наружных стенках зазора. Конденсированное
масло стекает по конденсирующей поверхности под действием
тяжести обратно в кипяти? ьник. Струя пара может быть направ-
лена различно: она может идти вверх, как в ртутном насосе, изо-
браженном на рис. 5, может быть направлена вниз, как в ртутном
насосе, изображенном на рис. 6, или выбрасываться в сторону (рис. 7'.
Хотя принципиально масляные и ртутные диффузионные на-
сосы имеют одинаковые рабочие элементы, конструкции их де-
талей сильно разнятся. Изготовление масляных диффузионных
насосов может быть осуществлено в обыкновенной механической
мастерской. Ниже мы приводим ряд существенных замечаний
для выбора надлежащей конструкции:
1. При рабочих температурах кипятильника масло слегка раз-
лагается. Это разложение неизбежно усиливается при повыше-
нии температуры, которое бывает необходимо, когда площадь
поверхности испарения жидкости в кипятильнике недостаточно
велика, чтобы образовалось надлежащее количество пара, или
если сопло и зазор недостаточно широки, чтобы обеспечить кон-
денсацию требуемого количества пара без образования слишком
высокого давления в кипятильнике.
2. Так как масло имеет низкую скрытую теплоту парообразо-
вания, то насос должен быть сконструирован так, чтобы тепло,
требуемое для поддержания рабочей температуры в сопле и в за-
зоре, подводилось к ним от нагревателя главным образом за счет
теплопроводности стенок, а не за счет конденсаций масляных
паров. Естественно поэтому, что наилучшим материалом для из-
готовления сопла является медь, так как она обладает большой
теплопроводностью.
3. Однако разложение масла каталитически ускоряется медью
и латунью, никель же этим свойством не обладает. Следовательно,
все части насоса, соприкасающиеся с горячим маслом, должны
быть никелированными (Л. III, 9).
4. Количество масла, разложившегося за определенный про-
межуток времени, пропорционально количеству масла в кипя-
тильнике. Поэтому рекомендуется в кипятильник наливать не-
Оольшой слой масла.
119
5- Следует всегда последовательно соединять два односту-
пенчатых насоса; пользоваться многоступенчатыми насосами не
рекомендуется, так как очень трудно отрегулировать равномер-
ный приток пара к различным форсункам и подачу необходимого
количества его без чрезмерного повышения температуры кипя-
тильника.1
6. Ширину зазора уже чем 5—3 мм (1/8") делают на основа-
нии практического опыта только у насосов со струей пара, на-
правленной вниз. В насосах со струей, направленной вверх, капли
конденсированного масла будут перекрывать зазор такой ширины.
7. Проникновение паров масла в откачиваемые приборы дол-
жно быть предотвращено при помощи диафрагм, действующих
как обратные холодильники.
8. Холодное масло растворяет большее количество газов и па-
ров, чем масло горячее. Поэтому конденсированное масло нельзя
сильно охлаждать; оно должно возвращаться в кипятильник при
возможно высокой температуре, иначе некоторое количество
откачиваемых газов и паров растворится в конденсированном
масле и загрязнит его.
9. Нагревать кипятильник рекомендуется электрическим на-
гревателем, так как он доступен более тонкому контролю, чем
нагреватель газовый.
Кальродовское нагревательное устройство, применяемое обычно
в электрических печах, может быть перемотано в спираль
с внешним диаметром 50 мм (2") или в плоскую спираль мень-
ших размеров.
На рис. 13—18 изображены конструкции некоторых широко при-
меняемых масляных насосов (Л. III, 10,22, 34, 58). Насос, представ-
ленный на рис. 13, сконструирован Слоаком, Торнтоном и Джен-
кинсом. Он удовлетворяет всем изложенным выше требованиям,
предъявляемым к хорошей конструкции, при чем его изготовле-
ние весьма несложно. Следующее описание этого насоса является
выдержкой из статьи этих авторов, напечатанной в 1935 г.
Диффузионный насос с апьезоновым маслом был первоначально
разработан фирмой Виккерса, с целью непрерывной откачки мощ-
ных электронных ламп.
На рис. 13 представлена типичная упрощенная конструкция,
которую широко применяют в США. Внешняя оболочка (2" в диа-
метре) представляет собою охлаждаемый водой латунный цилиндр,
дном которого служит впаянная серебром медная пластинка.
В углублении, оставленном под дном, помещается электрический
нагреватель, который поддерживает кипение апьезонового масла В,
1 С этим утверждением автора согласиться трудно. Можно подобрать, и при-
том раз навсегда, такую конструкцию трехступенчатого насоса» в которой объеди-
няются: компактность, скорость откачки и непрерывное фракционирование масла
без перегрева. См. Синельников, Вальтер, Улезко и Ямницкий „Фракционирую-
щие вакуумные насосы* ЖТФ, т. XI, вып. 10, стр. 879. Прим. ред.
120
налитого не слишком толстым слоем на дно при темпера i у
не выше 200°. Пары масла поднимаются по медной трубе в сопло*
и направляются вниз медным зонтом. Расстояние между краями
зонта и конденсирующей стенкой 8—10 мм; оно не является крити-
ческим, хотя и существует оптимум для каждой определенной
совокупности давлений. На медную трубу надевается стеклянная
трубка для защиты от потери тепла и металлический (обратный)'
холодильник, чтобы задержать поднятие паров масла с крышки.
Рис. 13. Стандартный
масляный диффузионный
насос, употребляемый в
промышленности.
1 — водяное охлаждение; 2 —
форвакуум.
Рис. 14. Паромасляный
диффузионный простей-
ший насос.
1 — к форвакууму; 2 — медные
проволоки для воздушного
охлаждения; 3 — к откачивае-
мому прибору; 4 — сопло; 5 —
дибутилфталат или другое
масло для насоса.
сипятильника. Однако можно обходиться и без них, не опасаясь,
серьезных последствий. Два охлаждающих экрана над зонтом
предохраняют проникновение паров масла непосредственно в от-
качиваемые приборы. Эта система охлаждающих экранов, изобра-
женная на рисунке, уменьшает скорость насоса почти в два
раза, так что его полная скорость откачки составляет 30 л/сек.
Это больше чем достаточно для откачки мощных генераторных
электронных ламп, так как соединительная система трубок сама:
уменьшает скорость почти до 10 л/сек. Получаемое давление
в генераторных лампах в 10-5 мм вполне достаточно.
121
Случайно оказалось, что та же общая конструкция также хо-
рошо подходит и для больших насосов с наружным диаметром
100 и 150 мм (4" и 6"), применяемых для откачки самых мощных
генераторных ламп. Скорость масляного насоса может быть сильно
увеличена, если увеличить диаметр верхней части, содержа-
щей охлаждающие экраны, задерживающие проникновение мас-
ляных паров в откачиваемые приборы.
Рис. 15. Насос Мак-Мил-
лана с соплом вверх.
Отверстие в верхнем блоке
(отмеченное стрелкой) диамет-
ром 6 мм. Внешний диаметр
сопла 7 мм. Щель шириной
2 мм. Кран вверху не указан.
1 — водяное охлаждение; 2 —
медная трубка; 3 — зонтики.
Рис. 16. Насос смешанной
конструкции: стекло—
металл.
1— к форвакууму; 2 — водяное
охлаждение; 3—первая сту-
пень; 4 — вторая ступень; 5 —
к откачиваемому сосуду.
Двухдюймовый насос такой конструкции со скоростью откачки
около 30 л/сек. будет обладать коэфициентом скорости немного
большим 50%.
Если такая .большая скорость не требуется, то можно поль-
зоваться насосом со струей, направленной вверх. На рис. 14
изображена предложенная Хикмэном и Сенфордом конструкция
такого насоса, полностью сделанного из стекла.
На рис. 15 представлен металлический насос со струей вверх,
сконструированный Эдвином Мак-Милланом. При температуре
122
кипятильника, подобранной так, чтобы дать максимальную
скорость откачки, этот насос работает со скоростью 4 л сек.
при противодавлении 0,5 мм ртутного столба. Если температура
кипятильника слишком высока, работа насоса будет протекать
неправильно, так как возвращающееся обратно конденсированное
масло ослабляет действие струй пара (Л. III, 21).
Смешанная конструкция, выполненная из металлаи стекла и раз-
работанная Жозефом Гендерсон (Л. III, 29), изображена на рис. 16.
По словам автооа конструкции, этот насос способен работать
Рис. 17. Насос Цабеля.
I — к откачиваемому прибору; 2 — водяное охлаждение
с резиновой трубкой; 3 — к форвакууму; 4 — сложное
сопло; 5— подогреватель Вердена — нихромовая спираль
в масле.
Рис. 18. Новый насос
Хикмэна.
1 — к откачиваемому прибору;
2— к форвакууму; 3—воз-*
душное сопло для обдувания
(для охлаждения); 4 — холо-
дильник для удаления лету-
чих компонентов масла; 5 —
асбестовая теплоизоляция; 6—
войлок; 7 — бумага. 7? — ре-
зервуар для собирания лету-
чих фракций.
при противодавлении в несколько десятых миллиметра, получен*
ном от масляных насосов со щелью в 3 мм (1/8") или больше,
чем он отличается от других, требующих противодавления не
выше 0,01 мм. При помощи этого насоса, снабженного ловушкой
с древесным углем, были достигнуты давления ниже 10“8 мм
ртутного столба.
На рис. 17 представлен насос, сконструированный Цабелем,
с новым типом нагревателя, приспособленным Верденом (Л. III, 2,
64). Преимущество этого насоса состоит в том, что он быстро начи-
нает работать после того, как включен‘“нагреватель.
Хикмэн и другие экспериментировали с насосами, в которых
^асло очищалось непрерывно. Насосы такого типа особенно
123
удобны для работы с газами и парами, хорошо растворяющимися
в масле или разлагающими его.
На рис. 18 изображен насос, воплощающий в себе некоторые
результаты этих исследований Хикмэна.
Ловушки для ртути
Пары ртути непрерывно диффундируют из ртутного диф-
фузионного насоса в откачиваемый прибор, если их не задержи-
вают ловушки, в которых происходит конденсация ртути на хо-
лодной стенке.
Наряду с неудобством и расходами, связанными с приобрете-
Рис. 19. Ловушка.
1 — стекло; 2 — металл; 3—перегородка.
нием охлаждающих веществ, применение ловушек имеет еще
другой, более досадный недостаток: замедление скорости откачки
насоса. Это особенно резко сказывается на работе больших
ртутных насосов, обладающих значительной скоростью. Напри-
мер, ртутный насос со скоростью в несколько сот литров в се-
кунду непосредственно у зазора может за ловушкой развивать
эффективную скорость только в несколько десятков литров
в секунду.
Обычные конструкции ловушек для конденсации паров ртути
и воды изображены на рис. 19. Тип Л —самый простой, часто
применяется для улавливания паров ртути вакуумметра Мак-
Леода. Он также полезен в соединении с ионизационным мано-
мером или манометром Пирани, служащим для обнаружения
течи. Тип В— наиболее распространенный; он может быть
легко изготовлен из металла и простой стеклянной трубки, как
124
пэказано на рис. 19 в форме А, или же ои может быть сделан
в форме В с разделительной перегородкой, чтобы заставить
газы циркулировать вдоль охлаждаемых стенок стеклянной труб-
ки. Оба эти типа — А и В погружаются в охлаждающую жидкость.
Типы С, С и С" содержат охлаждающее вещество внутри.
Вследствие плохой теплоизоляции эти ловушки, при длительном
охлаждении, менее экономичны.
В качестве охлаждающих веществ для улавливания паров
ртути и воды применяют жидкий воздух или „сухой лед" (СО,)
в ацетоне. Температура первого меняется в пределах от — 19(Г
до—183° С, в зависимости от того, какое количество азота успело
выкипеть из жидкого воздуха, оставив избыток жидкого кисло-
рода. Температура смеси сухого льда с ацетоном обычно бывает
около — 78°С.
При температуре жидкого воздуха давление паров ртути равно
1,7ХЮ“27мм, в то время как при —78° С оно будет уже 3,2х 10~J мм.
Для улавливания воды температура жидкого воздуха достаточно
низка, но смесь сухого льда с ацетоном уже недостаточно холод-
на, чтобы эффективно улавливать водяные пары, так как давле-
ние насыщенного пара льда составляет около 1 (Г3мм при—78СС.
Поэтому при применении этого охладителя для улавливания рту-
ти необходимо в то же время поместить в вакуум достаточное
количество безводной пятиокиси фосфора, поглощающей пары
воды.
Давление паров различных масел в вакуумных насосах, при-
меняемых для относительно грубой откачки, по данным Дэшмана,
составляет от ]0~3 до 10~4мм при обычных температурах, при
0°С оно составляет 1:5 этого значения и ничтожно мало при
температуре сухого льда или жидкого воздуха.
Ловушками, охлажденными жидким воздухом, улавливается
и углекислота, так как давление ее пара при температуре жид-
кого воздуха лежит в пределах от 10-э до 10~7 мм.
Окись углерода, метан, этан и этилен, имея значительно более
высокое давление насыщенных паров, не улавливаются достаточ-
но эффективно даже ловушками с жидким воздухом.
Кажущиеся течи
Газы будут конденсироваться, если их парциальное давление
больше давления их насыщенных паров при температуре ловуш-
ки. Однако позже, как только насосы в достаточной степени
снизят давление, они снова начнут испаряться. Такая конденсация
может вызвать „кажущуюся" течь, если ловушка охлаждена
слишком быстро, сразу же после начала откачки системы. Мы
употребляем термин „кажущаяся течь", потому что нам только
кажется, что система имеет течь, в то время как в действитель-
ности она совершенно непроницаема. В качестве примера рас-
125
смотрим систему с ловушками, охлаждаемыми смесью сухого,
льда с ацетоном, но без пятиокиси фосфора.
Некоторое количество водяного пара, первоначально находив-
шегося в системе как в воздухе, так и поглощенного на стенках,
сконденсируется в ловушке. По мере откачки давление в системе
будет только приближаться к пределу 10~3мм — это и есть да-
вление водяного пара в ловушке, система при этом будет по-
казывать „симптомы" течи. То же самое будет наблюдаться,
если ловушки преждевременно и очень скоро охлаждать жидким
воздухом; некоторое количество водяного пара конденсируется
на верхних частях ловушки. По мере понижения, вследствие
испарения уровня жидкого воздуха, температура воды, конден-
сированной в виде льда, поднимается, пока лед не начинает
сублимировать, давая кажущуюся течь. Кристаллики льда, с од-
ной стороны, слишком холодны, чтобы быстро испариться и быть
откачанными насосом (или конденсироваться на более холодных
частях ловушки), с другой — они достаточно теплы, чтобы пор-
тить вакуум.
Подобным же образом и другие газы, вроде этилена, могут
конденсироваться в ловушке, охлажденной жидким воздухом,
и понижать вакуум.
Для избежания кажущихся течей нужно оставлять ловушку
теплой до тех пор, пока не будет достигнут вакуум, при кото-
ром ртуть уже начинает диффундировать в откачанный прибор,
то есть до тех пор, пока не получится давление около 1СГ2 мм,
тогда только начинают охлаждать кончики ловушки и продол-
жают это, пока давление внутри не достигнет своего предела
равного /%, а после этого уже вся ловушка погружается в жидкий
воздух.
Ловушки для масел
Давление паров масел, применяемых в вакуумных насосах,
подобных апьезоновому маслу „В“, очень низко, но газы, получа-
ющиеся вследствие разложения масла под влиянием нагревания,
могут вызывать ухудшение вакуума и обусловливают необходи-
мость применения ловушек. Например, когда Бэрдэн откачивал
рентгеновскую трубку с помощью диффузионного насоса, изо-
браженного на рис. 17, он нашел, что на аноде трубки образо-
вался налет углерода (Л. III, 2). Он нашел также, что катоды трубки
быстро разрушались. Однако применение охлажденных ловушек
сильно снижало эти эффекты. Свои ловушки он охлаждал сухим
льдом в спирту.
Ловушка, изображенная на рис. 20, была сконструирована
Хикмэном для диффузионных насосов, в которых npi меняется
„октойль". По его мнению, эту ловушку достаточно схллждать
проточной водой. Иногда для улавливания паров из масляных
насосов применяют специальные электрические холодильники.
126
Конечно, это рекомендуется делать только в больших и постоян-
ных вакуумных установках.
В обычной экспериментальной работе с масляными диффу-
зионными насосами достаточно иметь ловушки с древесным
углем. Несколько конструкций! таких ловушек изображено на
рис. 21. Наиболее эффективной из
них является полностью закрытая ло- гТъ
вушка А, хотя она и дает наибольшее I ш!
сопротивление для проходящих сквозь
нее газов. Ловушку типа А рекомен-
дуют Бекер и Джейкокс. Они нашли,
что ловушка с древесным углем уда- I
ляет масло и конденсируемые пары Ik-J-ll
до такой степени, что ионизационный
манометр показывает „давление" не Рис. 20. Ловушка Хикмэна,
выше 10~8 мм ртутного столба.
Это подтверждает и Гендерсон (Л. III, 3, 29).
Когда ловушки с древесным углем насыщаются маслом и пара*
ми, их необходимо сильно прогревать. Бекер и Джейкокс на-
Рис. 21. Ловушки с адсорбирующим углем или силикагелем.
] —।спай на серебре; 2 фибровая шайба; 3 — разделитель; 4 — электрическая
прокалка угля; 5 поглощающий уголь; 6—водяное охлаждение; 7—шеллак.
блюдали, что конденсированные насосные масла разлагались при
прогревании в соприкосновении с древесным углем и что про-
дукты распада представляли собой газы.
127
Конструктивные особенности кинетических вакуумных
установок
Вначале для создания вакуумных аппаратов применялось
включительно стекло; теперь же, во многих случаях, его заме-
няет металл.
Стекло как технический материал характеризуется тем, что оно
прозрачно, обладает высоким качеством электрической изоляции,
его легко очистить, прогреть и отпаять, обеспечивая этим сохра-
нение высокого и более или менее постоянного вакуума. Кроме
того, дополнительные части к аппарату могут быть присоединены
без применения каких-либо прокладок или замазок. Стеклянные
части легко могут быть испробованы на течь с помощью искры.
К сожалению, изготовлять из стекла большие и сложные ап-
параты трудно. Кроме того, большие вакуумные установки,
сделанные из металла, не столь хрупки, а починка и переделка
их могут быть легко выполнены в механической мастерской.
В вакуумной технике чаще всего применяют латунь. Непро-
ницаемые для газов аппараты могут быть изготовлены из свин-
ченных вместе пластин и цилиндров из этого металла, „покра-
шенных" снаружи пчелиным воском или смесью смол. Латун-
ные пластины и цилиндры и т. д. могут быть соединены также
посредством резиновых или свинцовых прокладок. Кроме того,
латунные части легко спаять мягким припоем или серебром, в за-
висимости от требуемой теплостойкости и прочности.
Стальные аппараты могут быть спаяны мягким припоем, твер-
дым серебром или же сварены. Электрическая сварка вполне
удовлетворительна для вакуумных работ, если она сделана в два
или три „прохода" с защищенными электродами. Обычно она
менее склонна давать течь, чем газовая сварка, и не так сильно
коробит детали. Стальные вакуумные резервуары, особенно если
они ржавые, иногда покрывают с внутренней стороны тугоплав-
кой апьезоновой замазкой как для предотвращения течей, так
и для того, чтобы создать поверхность, не выделяющую газов.
Так как металлические вакуумные стенки могут выделять
больше газа, чем стеклянные, то маленькие течи в них находить
труднее. Обычно внешнюю сторону металлического прибора по-
крывают лаком, который заклеивает маленькие поры течи и дает
в то же время приличный рабочий вид всему прибору. Глипталь
представляет собою теплостойкий материал; его, например, мож-
но применять даже для покрытия внешней поверхности кипя-
тильников у диффузионных насосов.
В кинетических вакуумных установках находит примене-
ние многое такое, чего нельзя допустить в статических уста-
новках. В частности, применяется резина (особенно в виде про-
кладок), уплотнение сургучом, пчелиный воск, смеси смол, апье-
зоновая замазка и необезгаженные и обработанные обычными
способами металлические части. Однако дерево, краски, лакировка,
128
пористые цементы и ржавчина недопустимы даже в кинетических
вакуумных установках и приборах.
Резиновые шланги можно применять для соединений, при чем
их вместе с зажимами можно применять и на выходных частях
установки. Резина не должна попадать в приборы с высоким
вакуумом, если в них желательно получать давления порядка
10~6 или меньше.
Соединения
Две стеклянные или металлические трубки могут быть сое-
динены встык толстостенной широкой резиновой трубкой. По-
верхность резины и места соприкосновения резины с трубками
покрывают несколькими слоями шеллака,
как это показано на рис. 22. Этот тип
соединения легко разъединяем. Для не-
больших трубок хорошим соединением
служит небольшой кусочек резиновой
трубки. Также можно применять рези-
новые ленты или полоски из натураль-
ной резины.
Поскольку резина для некоторых га-
зов до известной степени проницаема и
Рис. 22. Соединения.
1—трубы; 2—резиновый пояс;
3—шеллак.
в вакууме выделяет сернистый водород
и другие пары, то нужно, чтобы соединяемые трубки всегда бы-
ли хорошо пригнаны друг к другу, чтобы уменьшить открытую
поверхность резины со стороны вакуума. Соединение рекомен-
дуется сначала обернуть листочком алюминия, а затем уже за-
крывать резиной.
Это в еще большей степени уменьшает поверхность резины,
обращенную к вакууму. Если к вакууму обращена значительная
поверхность резины, то последнюю рекомендуется прокипятить
в 15% едкой щелочи (кали или натра), чтобы растворить сво-
бодную серу и удалить с поверхности тальк. Затем резину надо
промыть водой и высушить спиртом или под вакуумным насо-
сом.
Если резиновые трубки с течением времени становятся пори-
стыми и покрываются трещинами, то их следует протереть
с внешней стороны касторовым маслом.
Две металлические трубки могут быть соединены фланцами
или свинчены с помощью шпунтового соединения с резиновой
прокладкой, как показано на рис. 23. Эти типы соединений ре-
комендуются там, где они должны выдерживать значительные
механические усилия, а также там, где соединение должно под-
вергаться умеренному внутреннему давлению. Выступающий
край фланца должен иметь ту же толщину, как и углубление
с точностью до сотых долей миллиметра, так чтобы резиновая
поокладка отнюдь не выдавливалась от нажима при свинчивании
® С гронс
I2J
соединения. Прокладку вырезывают из листовой резины особым
резцом, как это показано на рис. 23. Резиновая прокладка дол-
жна быть сухой (без смазки), и если у выступа и углубления
Рис. 23. Соединения.
1 — мягкий припой; 2 — резиновая прокладка; 3—жесткий припой; 4 —прибор
для вырезания поокладок; 5 — листовая резина.
Рис. 24. Соединения.'
1—флангц; 2 — ст'нкя цилиндра;
3—подставка; 4 — мягкая свинцо-
вая проволока для уплотнения
соединения.
на фланце поверхности полированные, гладкие, то можно быть
уверенным, что течи в соединении не будет. Более того, в сое-
динении этого типа с объемом, из которого воздух эвакуирован,
соприкасается очень малая поверхность
резины, и количество выделяемого ею
газа незначительно.
В соединении другого типа, показан-
ном на рис. 24, в качестве прокладки
вместо резины применяется плавкая
свинцовая проволока от предохранителя.
Прокладка в этом случае представляет
собой петлю из 20-амперной плавкой
проволоки, спаянную встык небольшим
количеством припоя путем нагревания
спичкой. Окружность петли должна
быть немного короче глубины флан-
ца; она натягивается при приса цке в
углубление так, чтобы получилось плот-
ное прилегание. Давление на фланец при
завинчивании заставляет свинец расте-
каться и плотно прижимает его к обоим
элементам соединения. Такие соедине-
ния могут быть применены в приборах, работающих при повы-
шенных температурах, так как они могут выдерживать назревание
более сильное, чем соединения с резиновой прокладкой. Свинцовая
130
ооКЛадка такого типа была применена для покрытия алюминием
4Q.дюймового колокола астрономических зеркал (рис. 12, глава IV).
Это соединение собиралось и разбиралось больше ста раз и
всегда оказывалось непроницаемым для воздуха. Алюминиевая
проволока выдерживает еще более высокие температуры, но
требует большого давления и ее труднее сваривать в петли.
Уплотнения
Часто соединение между стеклянным колоколом и металли-
ческой плитой необходимо сделать непроницаемым для воздуха.
Прежде для этого употребляли крановую замазку и смазывали
ею нижний край колокола. Уплотнение такого рода не всегда
было непроницаемо, и замазка часто проникала в прибор, загртз-
няя внутренние поверхности, соприкасающиеся с вакуумом. Кра-
новую замазку заменяет с большим успехом воск. При этом
колокол ставят на плиту, наблюдая, чтобы основание колокола,
так же как и сама плита, были совершенно чистыми и сухими.
Затем, с помощью медицинской капельницы, горячий, почти
кипящий пчелиный воск или подобная ему смоляная смесь на-
носится вдоль всего внешнего края основания колокола, чтобы
получилось такое уплотнение, как изображенное на рис. 25. В
этом случае колокол можно снять с плиты только следующим
образом: тщательно соскоблив воск шпателем, сдвигают колокол
с места, ударяя коротким ударом ладони по его верхушке, или
под край колокола осторожно подводят бритвенное лезвие.
Если колокол металлический, то в его крае может быть
сделана специальная выемка (канавка), так что прилипание его
к плите можно преодолеть, приподнимая край колокола отверт-
кой, как рычагом, после того как будет соскоблено возможно
большее количество воска.
Подобным же образом к вакуумным приборам могут быть при-
клеены окошки для наблюдения. Воск или белый вакуумный
сургуч надо наносить при этом с помощью медицинской капель-
ницы в горячем состоянии на край отверстия и склейку выпол-
нять иногда даже без дополнительного нагревания стенки от-
верстия и окошка.
Окошки можно приклеивать и более твердой замазкой. Если
применяются твердые замазки, вроде апьезона пицеина,
шеллака или замазки Котинского, то стенку прибора, так же как
и само окошко, необходимо нагревать до температуры выше
10G° С. При этом стенку и окошко сначала надо тщательно
очистить, а затем уже окошко закрепить в желаемом положении.
После того как они нагреты до требуемой температуры, на
внешний край окошка наносят замазку. Капиллярными силами
она втягивается между окошком и стенкой. Замазка, проникшая
под окошко, образует между ним и стенкой тонкий, связываю-
щий слой с большой площадью, котовый с вакуумом соприка-
сается только минимальной поверхностью своего внутреннего
края (рис. 26).
На рис. 27 показан способ склеивания пицеином двух стек-
лянных трубок при соединении их встык или при небольшом
вдвигании (телескопическом) одной в другую. Задача сводится
к нанесению мягкой толстой полоски пицеина на внешнюю по-
верхность нагретых концов стеклянных трубок. Эта полоска
Рис. 25. Уплотнение воздуш-
ного колокола.
1 — пчелиный воск, фталевая за-
мазка или резина с воском.
Рис. 26. Наклейка
окошек.
1 — окошко; 2 — замазка-
Рис. 27. Соединение
трубок.
1 — пицеин или фталевая
замазка.
вытягивается из палочки пицеина после того, как она совер-
шенно размягчена, что достигается осторожным нагреванием ее
в пламени бунзеновской горелки.
При этом сначала надо расплавить пицеин с поверхности и потом
охладить и дать отвердеть. Когда палочка станет достаточно
пластичной и пока она еще не мягкая, ее обертывают вокруг
предварительно нагретого соединения и обминают снаружи, как
показано на рис. 27. Пицеин не прилипает к пальцам, если они
слегка влажны. После того как стекло и пицеин совершенно
остынут, последний оплавляют при помощи пламени с поверх-
ности, чтобы обеспечить по краям полоски плотное соприкосно-
вение (смачивание) с трубками.
Прозрачная вакуумная замазка
Хорошая вакуумная замазка в твердом состоянии должна
быть достаточно крепкой, чтобы обеспечивать надежное соедине-
ние трубок и деталей; в размягченном состоянии она должна
быть пластичной, хорошо прилипать к стеклу и к металлу,
а в расплавленном—совершенно жидкой и хорошо смачивать
всевозможные материалы. При комнатной температуре она должна
132
обладать ничтожным давлением пара и не выделять никаких
газов.
Этим условиям удовлетворяет замазка, приготовленная из
124 весовых частей химически чистого этиленгликоля с точкой
кипения 197СС и 296 весовых частей химически чистого фта-
левого ангидрида (кристаллического).
Фталевый ангидрид всыпают в этиленгликоль и тщательно
перемешивают, а затем осторожно (медленно) нагревают до 220сС —
при этом не должно происходить испарение и улетучивание
составных частей смеси; состав ее должен точно соответство-
вать указанной выше рецептуре. Смесь делается при этом совер-
шенно жидкой и прозрачной, как стекло.
При температуре 220°С смесь выдерживают не менее 8 часов
и под конец слегка откачивают; за это время реакция успевает
полностью закончиться, а ничтожный избыток лишнего компонента
улетучивается вместе с последними следами воды.
Перед употреблением замазку необходимо разогревать до плав-
ления. Благодаря ее прозрачности легко проверить качество
соединений и плотность ее прилипания, обеспечивающую отсут-
ствие течи, к поверхности соединяемых предметов.
Электроды
В главе о стеклодувных работах мы рассмотрели детали кон-
струкций, обеспечивающих непроницаемую впайку вводов элек-
трических проводников в стеклянные приборы. В кинетических
вакуумных установках из металла элек-
троды необходимо пропустить внутрь,
сквозь отверстия в металлических стен-
ках. Устройство ввода для проводов, рас-
считанных на сильный ток, показано
на рис. 28, а на рис. 29 изображены
вводы для высоковольтных электродов.
Ввод для сильного тока обычно де-
лается в форме латунного винта, укреп-
ленного как болт в стенке откачивае-
мого сосуда. При этом головку и тело
винта надо изолировать слюдой от ме-
таллической стенки вакуумного прибора.
После того как надежность изоляции
проверена контрольной лампой, ввод
уплотняют, покрывая головку винта, изо-
ляцию и часть внешней поверхности
стенки вакуумного прибора слоем пче-
линого воска, смоляной смесью или глип-
талевым лаком. Пчелиный воск и смоля-
ную смесь применяют, если рабочая тем-
Рис. 28. Ввод для сильного
тока.
1 — канал для откачки; 2 — гайка;
3 —- вольфрамовая проволока; 4 —
слюда; 5 — шайба с навесом для
предупреждения короткого замы-
кания при конденсации металли-
ческих паров; 6— подставка; 7 —
камазка^З— толстый медный про-
вод, припаянный к канавке на го-
ловке болта.
133
пература лежит в пределах комнатных температур. Глипталь,
после того как он нагреванием доведен до полимеризации, мож-
но применять при рабочих температурах до 100° и несколько
выше.
Описанный электрод не обладает высокими изоляционными
качествами. Там, где необходима лучшая изоляция, применяют
для крепления ввода капиллярную трубку одним из способов,
изображенных на рис. 29. Каждый из этих способов дает воз-
Рис. 29. Ввод высокого напряжения.
1—головка болта; 2 — капилляр из пирекса; 3—вольфрамовый электрод,
впаянный в пирекс; 4 — шеллак; 5 — место спая в пирекс; 6— стенка;
7 — пчелиный воск или фталевая замазка; 8 — мягкий припой; 9 — слой
шеллака; 10—ввод на шеллака; 11 — капилляр из пирекса; 12—медный
электрод; 13 — шеллак.
можиость вынуть электрод, чтобы, например, очистить его
от конденсированных металлических паров, переменить стекло
и т. д. Если для ввода применяют вольфрамовую проволоку,
то она может быть непосредственно заварена по концам в капил-
ляр из стекла пирекс. Такой капилляр с заваренным вдоль его
оси проводником вмазывают с помощью чистого шеллака или
замазки Котинского в просверленный насквозь винт, а затем
последний ввинчивают сквозь стенку вакуумного прибора
и уплотняют снаружи пчелиным воском или смоляной смесью.
Вентили и краны
Вентили применяют в диффузионных насосах со стороны
низкого вакуума, чтобы препятствовать парам масла проникать
из механических насосов в другие части установки. Между диф-
фузионными насосами и эвакуируемым прибором также полезно
применять большие вентили, позволяющие отключать диффузион-
134
ные насосы. Например, в вакуумной уста-
новке, представленной на рис. 4, большой
четырехдюймовый вентиль дает возмож-
ность открывать и снимать колокол и
снова его откачивать, не нарушая вакуума
в диффузионных насосах- Вентили между
различными частями большой вакуумной
установки облегчают отыскание течей, так-
как различные части ее могут быть отклю-
чены последовательно одна за другой.
Наипростейший вентиль со стороны
предварительного разрежения в вакуумной
установке — это короткий кусок резиново-
го шланга и зажим. Вакуумный толстостен-
ный (толщина стенки не менее 10—15 мм)
резиновый шланг можно иметь всех раз-
меров (до 25—30 мм в диаметре). Короткие
куски такого широкого толстостенного
шланга можно применять и со стороны
высокого вакуума диффузионного насоса,
если насосы обладают достаточной мощ-
ностью и если желательно получить ва-
куум только до 10-4 мм ртутного столба.
Обычно же рекомендуется ограничиться
применением резинового шланга лишь со
стороны низкого вакуума у диффузион-
ных насосов.
Даже обыкновенные водопроводные
вентили могут быть приспособлены для
высоковакуумных работ. Для этого толь-
ко надо заполнять сальник шнурком,
пропитанным апьезоновой смазкой ,,Q“,
пчелиным воском, замазкой для кранов
или универсальной вакуумной замазкой.
Так как резиновые прокладки, имеющиеся
в этих вентилях, обычно бывают слиш-
ком тверды для работы с вакуумом,
то их необходимо заменить более мяг-
кой резиной. Рекомендуется при этом
переделать конец стержня вентиля так,
чтобы новая резиновая прокладка могла
держаться в его углублении. Снаружи вен-
тиль следует покрасить шеллаком или
глипталевым лаком для предотвращения
течи сквозь поры литья. Его можно также
покрыть апьезоновой замазкой „Ш“ или
хорошо вылудить.
Рис, 30. Вентиль.
1 — бронзовый колпачок;
2— крапление сильфона;
3— спай;4— сильфон Фуль-
тона № 90244 32 X 24 мм;
5— замазка; 6 — мягкая ре-
зина; 7 — проточ°иный
ровный край в“нтиля; 8 —
спай.
Рис, 31. Вентиль Гоф-
мана.
РиЬ. 32. Кран Зайковского.
135
Дюмой д и Розе описали вентили, снабженные вместо саль-
ников сильфоновыми мехами (Л. III, 13, 12, 54). Такой вентиль
изображен на рис. 30. Безнабивочный вентиль этого типа может
быть легко приспособлен для вакуумной работы, как показано
на рис. 31.
Обычные краны также можно употреблять в высоковакуум-
ных установках, тщательно уплотнив их с помощью вакуумной
крановой смазки (рис. 32). Вакуумную смазку для кранов при-
готовляют следующим образом: одну часть натуральной резины
высшего сорта, разрезанной на мелкие кусочки, разваривают
в одной части апьезоиовой смеси „М“. Это разваривание произ-
водят в круглой колбе при высокой температуре на водяной
и паровой бане; содержимое колбы надо при этом долго пере-
мешивать. Когда же применение смазки в кранах не рекомен-
дуется, можно использовать для этой цели парафин, апьезоно-
вую замазку ,,W“ или даже пицеин (Л. III, 53), при чем лучшей
из этих замазок является пицеин. При употреблении такой
твердой замазки вентиль всякий раз, когда его нужно повернуть,
следует подогревать, пока замазка не сделается пластичной.
Краны иногда можно смазывать сухим гоасЬитом и уплот-
нять ртутью.
Механические перемещения в вакууме
Механическое движение в вакуумной установке может быть
осуществлено сквозь немагнитные стенки при помощи маг-
нитов.
Железный якорь или магнит прикрепляют на подвижной
части внутри прибора и приводят в движение снаружи электро-
магнитом. Якорь может быть герметически заделан в стеклян-
ную трубку, чтобы он не выделял газов.
Металлические сильфоновые меха также могут быть исполь-
зованы для осуществления в вакууме поступательного или
колебательного движения какого-нибудь рычага (Л. III, 6).
Если наружный конец рычага совершает круговое движение,
это движение может быть преобразовано во вращение внутри
вакуума.
Ван де Грааф разработал быстроходный вакуумный вал с уплот-
нением, изображенным на рис. 33.
Для уплотнения им применена апьезоновая смазка „М“, сме-
шанная с графитом, а всасывающее действие правого и левого
винтов, вырезанных на валу, предохраняет выдавливание уплот-
няющего состава наружу.
Механическое движение может быть передано в вакуум
и через обыкновенный сальник, набитый хлопчатобумажным
шнурком, пропитанным апьезоновым составом „Q“, как изобра-
жено на оис. 4.
126
Течи
Рис. 33. Передача движения в
вакуум.
1 — левая резьба; 2 — правая резьба;
3 — стержень; 4 — апьезон ,.М“ и кол-
лоидальный графит; 5 — стенка.
При проектировании металлической вакуумной установки
следует предусмотреть, что часть стоимости ее изготовления
должна пойти на приобретение мелких металлических деталей,
втулок, тройников, кранов, фланцев и соединительных болтов.
Наличие деталей делает возможным наполнять воздухом, водоро-
дом или другими газами отдельные части установки и приборы
до давления 50 или 100 фунт/кв. дюйм (3—7 атм.).
Для обнаружения возможных при этом течей наполненная
часть установки погружается в воду или смачивается раствором
жидкого мыла. При наличии течи по-
являются пузырьки. Водород, которым
иногда вместо воздуха наполняют
приборы, диффундирует сквозь ма-
ленькие отверстия примерно в че-
тыре раза быстрее воздуха. Если течи
найдены, их можно заделать сваркой
или запайкой, или даже просто проков-
кой поверхности холодным способом
(чеканка). После того как вся установ-
ка собрана, она с наружной стороны
покрывается несколькими слоями глип-
талевого лака, попеременно лаками
разных цветов, скажем, красным и си-
ним, чтобы проконтролировать полное
покрытие всей поверхности каждым
из них. Если возможно, свежее по-
крытие прогревается до температуры
примерно в 120° С.
В стеклянных установках течи обычно обнаруживают, про-
водя по поверхности стекла незаземленным электродом от высоко-
вольтной индукционной или высокочастотной катушки (токи
Тесла). Когда электрод подходит близко к отверстию, через
которое происходит течь, искра проникает в него и заставляет
светиться внутри прибора остаточный газ. Параллельно искре, меж-
ду электродом и землей, чтобы избежать чрезмерного электри-
ческого напряжения, могущего пробить стекло, включается искро-
вой разрядник с расстоянием от 7 до 12 мм.
Течи в металлических установках, которые не были обнару-
жены погружением в воду или покрытием мыльным раствором, обна-
ружь ь значительно труднее. В таких случаях процесс нахождения
течи сводится к осторожному систематическому покрытию после-
довательно площадка за площадкой — с одного конца стенок
установки жидкостью, которая затвердевает, мыльной водой или
маслом. При осуществлении каждого из этих способов отыска-
ния течи в установке необходимо непрерывно. производить
°ткачку и поддерживать наинизшее возможное давление.
137
Жидкость последовательно наносится на отдельные участки
сплошным слоем, пока не исчезнет течь; поврежденное мести
обнаружится по резкому снижению давления (ослабление течи).
В качестве покрытия можно применять расплавленную смесь
пчелиного воска и смолы или густые растворы шеллака в спир-
ту, или глипталевый лак; их равномерно наносят кистью ни
стенки. Вместо этого можно также распылять на стенку при
помощи пульверизатора раствор ацетилцеллюлозы в амил ацетоне
(цапонлак). Когда раствор шеллака (или чак) наносится на на-
ружную часть канала течи, он втягивается вакуумом в канал,
растворитель быстро испаряется из раствора, и жидкость в ка-
нале застывает. Канал течи заполняется твердой массой шеллака
(или целлюлозы), и течь прекращается. Количество растворителя,
проникающее в вакуум сквозь эту массу, в тех случаях, когда
этот способ оказывается ^пригодным, ничтожно.
Обычно, как только течь покрывается раствором, вакуум
сразу же улучшается. Об этом свидетельствует исчезновение
свечения в контрольной разрядной трубке и появление искры
в наружном контрольном искровом промежутке. Если приме-
няется ионизационный манометр или манометр Пирани, то закры-
тие течи обнаруживается по движению светового пятна на
шкале инструмента. Иногда место течи в трубе может быть
установлено путем сплошного обильного смачивания его мыль-
ной водой. Гак как давление паров воды составляет только
около х/зо атмосферы, то можно ожидать, что течь будет умень-
шена в 30 раз, если место течи будет покрыто водой. Тот
же эффект, но более отчетливый, получается при сплошном
смазывании трубы вакуумным маслом.
Можно применить еще один способ нахождения течей: покры-
тие частей установки газом, верхние части — двуокисью угле-
рода, так как она тяжелее воздуха, а нижние — светильным
газом. Вебстер описал применение резиновых колпаков для
облегчения работы с газом (Л. Ill, 62). Светильный газ можно пускать
на разные части установки прямо из крана или кусочком ваты,
смоченной в эфире, водить по поверхности прибора. Доказатель-
ствами того, что труба при этом пропускает вместо воздуха газ
или пары эфира, служат изменение цвета свечения в разрядной
трубке, присоединенной к прибору, и изменение отсчетов в ва-
куумном манометре, отделенном от прибора ловушкой с жидким
воздухом.
Применение разрядной трубки при контроле течи, когда пользу-
ются светильным газом, двуокисью углерода или эфиром, осуще-
ствляется двумя способами. Первый применяется, когда достигну-
тый вакуум, вследствие течи, оказывается настолько плохим,
что в трубке виден разряд. Когда же один из указанных выше
газов попадает в поры течи, цвет свечения продолжительного
столба разряда из коричневато-красного, характерного для воз-
духа, изменяется в синевато-зеленый, соответствующий двуокиси
углерода, или в белый — для светильного газа и эфира- Вто-
рой способ применяют, когда течь мала и в установке можно
достигнуть более низкого давления, соответствующего исчезно-
вению свечения в разряде. Тогда, по предложению Вебстера,
пользуются разрядной трубкой, присоединенной к трубопроводу
между первым и вторым диффузионными насосами, как показано
на рис. 4. Второй (форвакуумный) насос перекрывают тотчас
же после включения разрядной трубки. Тогда диффузионный насос
начинает накачивать пропускаемый течью газ в закрытую трубку,
в результате чего появляется более яркое свечение разряда.
Когда для контроля течи применяют двуокись углерода или
другие конденсирующиеся газы, между прибором и вакуумом
можно поместить ловушку с жидким воздухом. Если течь про-
пускает двуокись углерода, то ловушка конденсирует газ, пре-
пятствуя его прониканию в манометр. В то же самое время
воздух и другие газы, не конденсирующиеся в ловушке, отка-
чиваются насосами. В результате этого, хотя общее давление
в установке и может увеличиваться, манометр покажет улуч-
шение вакуума.
Для обнаружения течи, очевидно, нужны манометры с непре-
рывным отсчетом. Поэтому манометры Кнудсена и Пирани или
ионизационный манометр предпочитают манометрам Мак-Леода.
Для обнаружения течи важнее иметь не абсолютные, а относи-
тельные отсчеты давления. Таким образом, для этой цели манометры
Пирани и ионизационные оказываются вполне приемлемыми,
хотя они и не могут давать абсолютных определений давления.
Вакуумные манометры (вакуумметры)
Вакуумный манометр позволяет оценивать давление в откачи-
ваемом приборе посредством измерения какого-нибудь определен-
ного физического свойства остаточных газов: вязкости, теплопро-
водности и т. д. Оценка отсчетов манометра, соответствующих
изменениям свойств остаточного газа, естественно становится бо-
лее деликатной по мере того, как газ становится все более и более
разреженным. Наконец, ниже некоторого предельного давления
(характерного для данного манометра) манометр уже не отличает
полученного разрежения от совершенного вакуума. Например,
разрядная трубка может давать количественные показания убы-
нТжр Давления до Ю 3 мм ртутного столба лишь приблизительно,
юм-гггт давления трубка вовсе перестает светиться и стано-
нрклтппм?°1ВтДгЯЩеЙ’ ^ИЖние пределы отсчетов, характерные для
некоторых других манометров, следующие:
I/I ТТ J'XIТ гт г/-\тт«ч -X, _
Ионизационный манометр
Манометр Кнудсена
„ Мак-Леода
„ Пирани
Вязкостный манометр Лангмюира
10 9 мм ртути, столба
КГ6
icrG
кг; . .
139
Действие манометра Мак-Леода основано на том, что при
определенном сжатии (уменьшении) объема остаточных газов
давление соответственно увеличивается до такого значения, при
Тис.М вакуумметр Мак-Леода (/ — измери-
тельный капилляр, Б— капилляр сравнения).
1 — квадратичная шкала; 2 — линейная шкала.
котором уравновеши-
вающее его гидроста-
тическое давление
столба ртути может
быть измерено обыкно-
венной шкалой.
Ионизационный ма-
нометр измеряет при
помощи гальванометра
количество положи-
тельных ионов, обра-
зующихся в единицу
времени в электриче-
ском поле при бомбар-
дировке остаточного
газа электронами.
Манометр Лангмю-
ира основан на измере-
нии вязкости остаточ-
ных газов, а манометр
Пирани—па измерении
их теплопроводности.
Абсолютный манометр
Кнудсена измеряет ки-
нетическую энергию,
переносимую газовыми
молекулами от горячей
поверхности к холод-
ной.
Из вышеупомяну-
тых манометров только
манометры Мак-Лео-
да и Кнудсена могут
считаться абсолютны-
ми в том смысле, что
их геометрия и другие
измеряемые характе-
ристики конструкции
и параметры работы
определяют их показа-
ния при данном давле-
нии. Манометр Мак-Леода является наиболее простым и наиболее
надежным для постоянных газов, но при наличии водяных паров,
двуокиси углерода, аммиака, паров плохого масла в насосах
и других веществ, адсорбирующихся на стенках манометра или
140
конденсирующихся в жидкость, он дает ошибочные показания,
чибо вовсе ничего не показывает. Это очень большой недо-
статок манометра, поскольку водяной пар, двуокись углерода и т. д.
имеют существенное значение в последних стадиях получения
высокого вакуума. Манометр Кнудсена реагирует одинаково и на
газы и на пары.
Показания ионизационного манометра трудно предсказать на
основании его конструктивных данных, и он должен быть програ-
дуирован по манометру Мак-Леода с помощью постоянных газов.
3 Надо иметь в виду, что прежде чем приступать к измере-
ниям необходимо сделать поправку на молекулярный вес газа,
а также принять во внимание, что газ может быть диссоцииро-
ван бомбардировкой электронами. Пригодность для количествен-
ных отсчетов этого манометра определяется степенью этих по-
правок. Подобным же образом и показания манометра Пирани
зависят от молекулярного веса остаточного газа, и он должен быть
проградуирован по манометру Мак-Леода с помощью постоянных
газов. То же относится и к манометру Лангмюира.
Манометр Мак-Леода
Хотя в манометре Мак-Леода сделаны многие улучшения (Л. Ш,
23, 30, 51), все же он применяется сравнительно редко. Опишем по-
этому самую простую форму манометра, изображенную на рис. 34.
Он делается из стекла и укрепляется на вертикальной доске.
Разница между высотами уровней ртути в манометре и в резер-
вуаре бывает примерно равна барометрическому давлению /?
(рис. 34). Когда резервуар поднимается, уровень ртути в мано-
метре поднимается выше разветвления Y, отделяя таким обра-
зом определенный объем V, остаточных газов. Это разделение
осуществляется еще при неизвестном давлении Pt остаточного
газа в приборе, к которому присоединен манометр. Когда резер-
вуар с ртутью поднимается еще выше, отделенная в объеме V'.
порция остаточного газа сжимается и переходит в капилляр, где
объем газа уменьшится до значения И2, а давление станет доста-
точно велико, чтобы создать заметную разность в высоте мени-
сков ртути в двух соседних капиллярах А и Б. На рис. 34, слева,
уровни ртути показаны при начале измерения, а справа—в двух
разных положениях, соответствующих двум методам отсчета.
Водном из них, когда мениск в Б установлен на уровне верхнего
конца капилляра А, окончательный объем Vg равен Д h о где о — - по-
перечное сечение капилляра. Обычно подбором объема V. и а ка-
пилляра уменьшение отделенного объема газа 1Л до объема V»
доводят до ста тысяч раз, что соответственно увеличивает
во столько же раз давление в капилляре по сравнению с началь-
ным. Уаройсгво манометра обеспечивает одинаковое сечение
в капилляре Б, служащем для сравнения, и в А, что исключает
необходимость вводить поправку на поверхностное натяжение.
Вспоминая уравнение (1), мы видим, что первоначальное произ-
Hi
ведение PrV^ равно конечному нройзведению Р2К- Отсюда мн
находтш выражение, связывающее неизвестное давление с наблю-
даемой разностью уровней в манометре АЛ:
Л = (14)
где К и з постоянные параметры манометра, определяемые при
его изготовлении. При этом □ определяется измерением длины
столбика ртути в капилляре, известного по объему и по весу.
Объем I/, находят заполнением манометра ртутью. Эти данные
должнБ1 быть записаны на доске, на которой смонтирован мано-
метр, чтобы они не затерялись. Значения Р(, определенные из
уравнения (14), обычно наносятся на шкалу, которую укрепляют
позади капилляра А для того, чтобы непосретственно отсчиты-
вать давление. Шкала получается неравномерная.
Второй способ измерений 14 и Р.2 изображен на рис. 34, справа.
Газ сжимается до определенной метки на капилляре А на расстоя-
нии A hG от его верхнего конца, так что конечный объем К будет
один и тот же во всех измерениях. Конечное давление, необхо-
димое для сжатия объема Ц до 14, будет А А; давление Рх в си-
стеме определяется через эти величины следующим уравнением:
Р, = ДЛ. (15)
Получается равномерная шкала, вычисленная по этой формуле;
ее обычно укрепляют позади капилляра Б.
Манометр Мак-Леода совершенно надежен для постоянных
газов от 10“’мм до 10’’ мм ртутного столба. Он менее надежен
до 10 “° мм. Ниже этого значения показания получаются только
качественные, а при 10~° ртуть прилипает к верху капилляра
А и отделяется от него только при опускании уровня ее в Б
ниже конца А („откачка до прилипания").
Манометр оказывается надежным только после обезгажива-
ния его легким прогреванием слабым пламенем. Для атэкватного
измерения всего интервала давлений от 10~1 доЮ^мм необ-
ходимы три манометра с различными значениями Н,. Существует
много конструкций манометров Мак-Леода более сложных, чем
изображенный на рис. 34. Например, можно смонтировать три
баллона вместе с одним общим резервуаром: один—для низких
давлений, другой—для промежуточных и третий—тля высоких.
Манометр Мак-Леода очень хрупок. Если его разбить, то он,
конечно, погибнет, а ртуть, что более опасно, может попасть
в вакуумную систему. В стеклянных вакуумных установках, где
применяют ртутные насосы, опасность эта не так велика, как
в кинетических металлических установках. Эти системы, изготов-
ленные из латуни с мягко спаянными соединениями, подвергаясь
142
действию ртути, разрушаются, причем слеш ртути удалить из
них почти невозможно.
Несчастные случаи с этим манометром обычно происходят
от слишком быстрого поднятия резервуара. При этом ртуть
в Vj приобретает достаточное количество движения, чтобы уда-
ром разбить баллон, когта поверхность металла достигает входа
в капиллярную трубку, не имея воздушной подушки, которая
смягчила бы удар.
Нужно избегать впуска воздуха в вакуумную систему, пока
ртуть еще не вышла полностью из Внезапный впуск возд\ ха
дает тот же результат, как и небрежность в поднятии резер-
вуара.
Иногда, когда резервуар уже опущен, шарик ртути остается
в капилляре А. Обычно его можно выгнать оттуда постукива-
нием по капилляру (после того, как вся ртуть ушла из V,). Если
это не удается, капилляр следует подогреть на слабом газовом
пламени. В последнем случае за капилляром помещают лист
асбеста, чтобы защитить от пламени проградуированную шкалу.
Капиллярные трубки, применяемые для манометров Мак-Леода,
редко бывают с внутренним диаметром большим 2—3 мм или
меньшим чем 0,5 мм, а объем баллона обыкновенно колеблется от
50 до 500 см3. Для наполнения манометра нужно применять только
самую чистую дестиллированную ртуть. Сера, содержащаяся в ре-
зиновом шланге, действует химически на ртуть; при этом обра-
зуется сульфидная пленка, которая прилипает к стеклу внутри
манометра и может вызвать ошибки в измерениях. Манометр,
загрязненный таким сульфидом, можно очистить только комби-
нированным действием цинковой .пыли и азотной кислоты.
Резиновый шланг для манометра необходимо промыть горя-
чим раствором едкого кали, который надо пропускать сквозь
шланг в течение примерно четверти часа. Затем его тщательно
отмывают водой от щелочи и высушивают.
В тех случаях, когда необходимо избегать загрязнения ваку-
умной системы ртутными парами, между системой и манометром
надо помещать ловушку с жидким воздухом и кран. В кинетических
вакуумных установках эта предосторожность часто бывает из-
лишней. Пока манометром не пользуются, кран между маномет-
ром и вакуумной системой должен быть закрыт для избежания
порчи вакуума парами ртути и загрязнения ртути в манометре.
Ионизационный манометр
Ионизационный манометр (Л. III, 7, 15, 35, 56) представляет
собой электронную лампу-триод, смонтированную в стеклянном
баллоне, присоединенном к прибору, в котором измеряется давле-
ние. Схема электрического включения показана на* рис. 35. Элек-
троны, испускаемые нитью, ускоряются в поле сетки. Вследствие
Слученного при этом количества движения они долетают до
143'
анода, если между сеткой и анодом не приложено обратное поле,
чтобы это движение остановить. В этом случае они возвра-
щаются к сетке и на ней собираются. Однако в то время, когда
они находятся между сеткой и анодом, они сталкиваются
с молекулами остаточных газов и ионизируют их. Образовав-
шиеся ионы устремляются на анод (заряженный в этом случае
отрицательно), при чем количество их,
образовавшееся в единицу времени,
измеряется чувствительным гальва-
нометром (в цепи анода). Отношение
этого тока к току электронов (вызы-
вающих ионизацию), являющемуся се-
точным током, при низких давле-
ниях (ниже 10“4 мм) оказывается про-
порциональным давлению остаточного
газа.
Рис. 36. Детали иониза-
ционного вакууметра.
1 — анодный ввод; 2 — анод;
3 —сетка цилиндрическая из
никеля; 4 — нить; 5 — стеклян-
ная изоляция; 6 — сточный
ввод; 7 — вводы нити; 8 — к ва-
куумной системе.
Рис. 35. Ионизационный ва-
куумметр.
1 — шунт Айртона: 2 — гальвано-
метр; 3 — предохранители.
Ионизационный манометр может быть сделан из обыкновен-
ной трехэлектродной радиолампы, снабженной стеклянным отрост-
ком для соединения с вакуумной системой. Такие манометры
пригодны для интервала давлений от 10" до 10 6 ртутного
столба.
На рис. 36 изображены детали конструкции манометра, при
чем изоляция анода в нем улучшена по сравнению с изоляцией
его в обыкновенных радиолампах. При помощи такого манометра
можно измерять давление до 10~9мм ртутного столба. Анод
закреплен в верхней части стеклянного баллона, а в нижней
смонтированы сетка и нить. Сетка сделана из кусочка никеле-
вого сита, свернутого в виде цилиндра.
144
Нижний конец этого цилиндра укреплен на стеклянной
/бке, впаянной посредине лампы. Крепление осуществляется
Тоосто* наматыванием проволоки, свободный конец которой при-
соединен к сеточному вводу, впаянному сбоку. В лампе имеются
две нити, но при работе используется только одна. Вторая
нить — запасная на случай, если перегорит первая. В случае необ-
ходимости, нити можно сменить, для чего надо перерезать
среднюю трубку в S.
Для рассматриваемого манометра требуются чувствительные
дорогие электроизмерительные инструменты, которые должны
быть снабжены предохранителями, как показано на схеме (рис. 35).
Анод должен быть хорошо обезгажен или прокаливанием
токами высокой частоты, или нагреванием его бомбардировкой
электронами с нити при высоком потенциале. В последнем случае
между нитью и анодом рекомендуется приложить переменный
потенциал до 500 вольт и выше. Получаемое анодом количество
тепла зависит от эмиссии электронов с нити, которая, в свою
очередь, зависит от тока накала. Для количественных измерений
необходимо тщательно обезгазить и анод, и стеклянные стенки
манометра. Для отыскания течей можно ограничиться прокали-
ванием анода. Деннингтон сделал манометр с анодом и сеткой в виде
спиралей длиною в 30 мм из вольфрамовой проволоки. Эти спи-
рали легко обезгаживать пропусканием по ним тока в течение
нескольких секунд. Он нашел, что манометр этой конструкции
уже не дает пропорциональности между давлением и отноше-
нием анодного тока к сеточному. Однако было установлено,
что однажды проградуированный он оказывается очень надеж-
ным. В нем при данном давлении отношение анодного тока
к сеточному оказывается различным при разных значениях сеточ-
ного тока. Вследствие этого необходимо при измерении устано-
вить сеточный ток на одно и то же определенное значение,
обычно в пределах от 10 до 50 миллиампер.
Манометр Пирани
Манометр Пирани (Л. III, 12, 28, 52, 57, 59) состоит из на-
гретой нити из платины, вольфрама или какого-либо другого
металла, электрическое сопротивление которого имеет высокий
температурный коэфициент. Нить находится в остаточных газах
и охлаждается ими. Температура нити, определяемая по ее сопро-
тивлению, зависит от силы тока накала и от теплопроводности
остаточного газа, которая в свою очередь зависит от давления.
Измерения сопротивления нити могут быть осуществлены несколь-
кими способами. Наиболее удовлетворительным является вклю-
чение нити в одну из ветвей мостика Уитстона при нагревании ее
постоянным током (рис. 37). Если мостик уравновешен при опреде-
ленной температуре нити, то изменение ее температуры, вызван-
ное изменением теплопроводности остаточного газа, выведет его
Стронг j
из равновесия. Таким образом, отклонение гальванометра доказы-
вает изменение давления остаточных газов.
Обычно нить монтируют в отдельном баллоне, снабженном
соединительной трубкой для присоединения к вакуумной системе
Рис. 37. Вакуумметр Пирани.
1 — гальванометр с чувствительно-
стью 10—8 А (деление); 2 и 2—магази-
ны сопротивлений; 3—реостат; 4
батарея на 6 вольт.
Рис. 38. Градуировка вакуумметра
Пирани.
и ее сопротивление уравновешивают точно такой же нитью,
смонтированной в другом баллоне, образующей соседнюю ветвь
мостика. Этот дополнительный баллон от-
Рис. 39. Конструкция вакуум-
метра Пирани.
1 —вякуумм°тр Пирани;2 — провод
к пгм'рит^льным инструм’нтам и
пита ник>;3 —лампа Пирани, отка-
чанная до 10" 6 мм; 4—водя-
ной охлаждение.
качивают и запаивают при очень низком
давлении. Роль этого баллона заклю-
чается в том, чтобы сделать манометр не-
чувствительным к изменениям окружаю-
щей температуры, которые на оба бал-
лона будут оказывать одинаковое влия-
ние, и гальванометр будет реагировать
лишь на те изменения, которые обусло-
влены охлаждением нити остаточным га-
зом в первом баллоне.1 На рис. 38 изо-
бражена градуировочная кривая маномет-
ра Пирапи. Очевидно область давлений,
для которой он применим, заключается
в пределах от -ру до 10 мм.
Конструкция манометра Пирани, его
теория и методы работы с ним детально
разобраны несколькими авторами, статьи
которых и следует изучить, если надо
применить такой манометр для количе-
ственных измерений. Манометр, пригод-
ный только для качественных измерений,
1 В последнее время для повышения чувствительности манометров типа
Пирани вольфрамовую нить заменяют стерженьками из полупроводников с боль-
шим отрицательным когфициентом сопротивления (—4°/с 1,а градус и более)
называемых „термисторами". Прим. ред.
146
например для нахождения течи, можно сделать из двух обычных
20—40-ваттных лампочек накаливания с вольфрамовой нитью, из
которых одна соединена трубкой с вакуумной системой. На рис. 39
изображено устройство такого манометра. Гальванометр в мостике
должен иметь чувствительность около 10—8 А мм на метр.
Иногда плохой контакт в лампах у подводящих проводов мо-
жет вызвать неустойчивое (переменное) выделение тепла нитью.
На это нужно обратить внимание, если возникает опасение, что
манометр дает ошибочные показания. Легкое встряхивание ламп
часто улучшает контакт и восстанавливает надежность отсчетов.
Манометр Лангмюира
Манометр Лангмюира (Л. III, 4, 27, 42) делается из плоской
кварцевой нити (ленточки) толщиной около 50 & шириной в 250—
500 р- и длиной около 5 см. Ее прикрепляют одним концом внутри
стеклянной трубки диаметром 25 мм ;рис. 40). Если в высоком
Рис. 40. Вибрационный
вакуумметр.
1 плоская кварцевая лен-
точка; 2 —железное приспо-
собление для возбуждения КО-
лебаний ленточки, запаянное
целиком в стекло; 3 — стек-
лянная ось на вмятинах, 4_
к вакуумной системе.
Рис. 41. Установка вибрацион-
ного вакуумметра.
1 — магнит; 2 — линза; 3 — зображе-
иие вибрирующей ленточки; 4 —
шкала; 5 — конденсор; 6 — источник
света.
вакууме эта ленточка в результате легкого постукивания по
стеклу начнет колебаться, то амплитуда таких колебаний убывает
очень медленно, так как затухание, вызванное остаточным га»ом
ничтожно. Благодаря ничтожному внутреннему трению плавле^
,0* НТ
«ого кварца потеря энергии на это внутреннее трение в кварце
очень мала, и затухание обусловливается только вязкостью газа.
В пределах от атмосферного давления до давления в несколько
миллиметров ртутного столба затухание колебаний, вызываемое
молекулами газа, от величины давления почти не зависит
и остается постоянным.
В области же меныних давлений затухание постепенно убы-
вает от этого постоянного значения до нуля; время, необходимое
для того, чтобы амплитуда колебания уменьшилась до половины
своей начальной величины, является мерой давления. В этой
области соотношение между временем затухания на половину
начальной амплитуды /, давлением Р и молекулярным весом оста-
точного газа выражается следующей формулой:
РУМ (16)
В ней а и b — постоянные, характеризующие данный мано-
метр. Значение отношения Ь!а может быть получено из наблю-
дения времени затухания t0 при почти совершенном вакууме, т. е.
при давлении 10-1)мм или меньше. При таком давлении левая
часть уравнения (16) может быть положена равной нулю. Чис-
ленные значения а и b определяются из второго измерения
времени tx при каком-нибудь определенном давлении Pv Это
давление измеряется манометром Мак-Леода. Для воздуха М
равно приблизительно 29. Манометр можно также градуировать
в насыщенных парах ртути при определенной температуре, при
которой давление паров ртути известно. Область, для которой
наиболее пригоден манометр, лежит между 2X10 “и5ХЮ“эмм.
Преимущества этого манометра: простота и небольшой объем-
Благодаря тому что в нем нет металлических частей, соприка-
сающихся с вакуумом, манометр годится для измерения давле-
ний газов, вызывающих коррозию металлов или поглощаемых
металлами, например галоидов. Этот манометр в соединении
с манометром Мак-Леода может быть применен для примерного
определения молекулярного веса неизвестного газа при низких
давлениях.
Плоские кварцевые нити получаются быстрым вытягиванием
их из боковой стенки разбитой тонкостенной кварцевой трубки
или по способу, описанному в главе V, стр. 214.
На рис. 40 и 41 изображены детали конструкции и способ
закрепления нити, а также повертывающаяся стеклянная трубка
с железным якорьком, приводимым в движение извне магнитом,
вызывающим колебание нити. На рис. 41 изображено также
оптическое устройство для наблюдения амплитуды колебаний-
Увеличенные изображения кварцевой нити проектируются про-
стой линзой на шкалу.
142
42. Манометр Кнудсена.
а — к вакуумной системе; в — ловушка с
жидким воздухом; . - водяное охлаждение; д — прозрачная икала;
е— стеклянное окно; ж — линза, наклеенная на окно.
— л Алажок 0,05 мм; 2- ц3 алюминия
!СШТЗб> О
Рис,
а — коррекция нулг; б —к вакуум.,^..
"'•<пким воздухом; i — водяное охлаждение; д
•КлЯ!!«о° окно; ж — линза, наклее._____
1 — алюмини“вый флажок 0,05 мм; 2— ось флажка из алю»..,...............
0 0,8 мм; 3— зеркальце плоское; 4 — подвес из вольфрамовой про-
волоки 012 [1, длиной 50 мм; 5—масштаб; 6—проволочные крю-
чочки; 7 — медные (латунные) стержни 5—5 мм; 8 — подогреватели
хромелевые № 28, длиной 1,5 м, по 25 ом каждый; 9—изолированный
ьвод к подогревателям; 10-магнит для тушения колебаний;
11 —полюсные наконечники; 12 — водяная рубашка; 13 —лампе
с прямолинейной нитью накала.
Манометр Кнудсена
На рис. 42 изображен манометр Кнудсена (Л. III, 12, 40), скон-
струированный Дю-Монд ом. Если такой манометр построить со-
гласно указанным им данным, то, как утверждает автор, он будет
иметь вполне определенную чувствительность; предварительной
градуировки по манометру Мак-Леода в этом случае не требуется.
Манометр, изображенный на рис. 42, отличается от дюмондон-
ского тем лишь, что он снабжен постоянным магнитом из сплава
„Альнико" для обеспечения затухания. Кроме того, он имеет
специальную ловушку с жидким воздухом для определения того,
какую часть в показаниях давления обусловливают конденси-
рующиеся пары.
Манометр Кнудсена заслуживает предпочтение перед мано-
метром Мак-Леода во всех тех случаях, когда важно избежать
загрязнения вакуумной системы ртутью. Никаких дополнитель-
ных измерительных приборов, нужных для ионизационного
манометра, для манометра Кнудсена не требуется. Более того,
нити в нем не перегорают и подвес не так нежен.
Рекомендуется несколько изменить конструкцию манометра
Дю-Монда так, чтобы все соединения и подпорки укреплялись
на одной пластине. Это облегчает его изготовление и ремонт.
Металлическая оболочка становится таким образом просто фут-
ляром с водяным охлаждением.
ГЛАВА IV
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ПОКРЫТИЯ
Способы нанесения тонких пленок
Тонкие пленки металла можно наносить (в лабораторных
условиях) на стекло, кварц и другие неметаллические вещества,
во многих случаях и на металлы, следующими пятью способами:
1) впеканием; 2) химическим осаждением; 3) гальваническим оса-
ждением; 4) катодным распылением и 5) испарением.
Каждый из этих способов имеет свои недостатки и преиму-
щества. Например, метод впекания применим только в тех слу-
чаях, когда стеклянную или керамиковую подложку можно
подвергать сильному нагреванию; химическое серебрение (а также
покрытие золотом и медью из водных растворов) нельзя приме-
нять для покрытия поверхностей из каменной соли, так как под
действием воды поверхности эти разрушаются; метод катодного
распыления особенно удачно применяется при нанесении пленок
из металлической платины; способ испарения дает особенно
благоприятные результаты при нанесении алюминиевых пленок.
Хотя все эти способы вполне пригодны для нанесения по-
крытий как на металлические, так и на неметаллические поверх-
ности, все же для покрытия металлов чаще всего применяют
метод гальванопластики.
Метод впекания
Этот метод легче всего применять при нанесении тонкой
пленки металла на стекло и на фарфор. Он, впрочем, пригоден
лишь для получения пленок благородных металлов, которые при
сильном нагревании восстанавливаются из своих соединений.
Стекло (или фарфор), которое подлежит покрытию, надо нама-
зать тонким слоем раствора какой-либо соли такого металла
в масле. При нагревании масло выгорает, а соль восстанавли-
вается, оставляя тонкий слой металлического осадка. Этот остаток
превращается в сплошную пленку, прочно приставшую к стеклу,
есла последнее нагреть до точки его размягчения.
.151
Раствор, служащий для нанесения пленок из платины, обычно
изготовляют по следующему рецепту (Л. IV, 22): 100 см3 десяти-
процентного раствора H2PtCl6 надо испарить досуха, а остаток
растворить в минимальном количестве абсолютного спирта. Этот
спиртовый раствор надо осторожно смешать с 6 см3 лавандо-
вого масла,1 охлажденного до нуля. Наконец, к полученному рас-
твору следует добавить небольшое количество бургундской смолы;
это необходимо для увеличения вязкости раствора, чтобы во
время работы, когда раствор станет постепенно нагреваться, он
не стекал по стеклу.
Растворы для покрытия стекла золотом, серебром и иридием
имеются в продаже и применяются при раскраске художествен-
ных фарфоровых изделий и посуды. Платиновые пленки, нанесен-
ные впеканием на стекло и фарфор, можно путем гальванопла-
стики омеднить и потом паять, что дает возможность создавать
прочное соединение между металлом и фарфором, пригодное
для вакуумных работ.
Способы химического покрытия металлом
Существуют два типичных способа (Л. IV, 14,20) химического
серебрения зеркал—способ Брешира и способ с применением сег-
нетовой соли. Первый применяют для получения толстых покры-
тий зеркал с наружным серебрением, которые быстро тускнеют,
например зеркал телескопов. Второй способ, более медленный,
рекомендуется применять для получения полупрозрачных сере-
бряных зеркал, например пластинок интерферометров и др.,
когда необходимо получить тончайшую однородную пленку с опре-
деленным соотношением между отражением и пропусканием.
Очистка. Серебряную пленку нельзя наносить на загрязнен-
ную поверхность. Поэтому жиры и другие загрязнения необхо-
димо тщательно удалять с поверхности стекла, чтобы частички
коллоидального серебра, взвешенные в растворе, в котором про-
изводится серебрение, могли крепко адсорбироваться на стекле
и образовать прочный сплошной металлический слой. Известно,
что смочить водой жирную стеклянную поверхность трудно;
точно так же к чистой смоченной водой поверхности не легко
пристают следы смазки, жиры и другие загрязнения. Поэтому
тщательно очищенная поверхность сохраняется чистой, если ее
держать в дестиллированной воде до момента погружения
в серебрящий раствор.
Первая стадия очистки зеркал состоит в том, чтобы бока
и обратную сторону очистить от крокуса и других загрязнений.
Для удаления такого рода загрязнений рекомендуется применять
чернильную резинку. Пемза или молотое стекло, содержащиеся
1 Лавандовое масло рекомендуется заменять свежим гвоздичным маслом.
Прим. рей.
152
пезинке, обычно являются хорошим абразивом для предвари-
Врльной чистки неоптических поверхностей. Полированную по-
верхность этим способом очищать нельзя, но фаска проще всего
очищать при помощи такой резинки.
После чистки резинкой все зеркало надо промыть в воде
с мылом или аэрозолем с водой. Аэрозоль следует предпочесть
мылу, так как он хорошо смывается с поверхности зеркала, не
оставляя следов. Если применять мыло, то зеркало должно быть
хорошо выполоскано в чистой, а еще лучше в дестиллированной
воде (Л. IV, 11, 20).
Дункан дает описания новых очищающих составов, примером
которых является аэрозоль. В эти составы входят сульфиды
органических соединений с большим молекулярным весом. Они
являются нейтральными и их преимущество по сравнению с мылом
при промывании зеркал состоит в том, что их можно применять
как в нейтральных, так и в щелочных и в кислых растворах.
В противоположность мылу они дают растворимые соединения
с ионами магния и кальция, которые обычно содержатся в водо-
проводной воде. Паста для чистки под названием „дрэфт", ши-
роко распространенная в США, пригодна также для очистки зеркал.
Иногда бывает необходимо слегка протереть зеркало, однако
так, чтобы не повредить его полировки. Это достигается про-
тиранием его мокрым ватным тампоном с небольшим количе-
ством тонко размолотого и тщательно отмученного мела. После
обработки полированной поверхности мелом чистая вода должна
целиком смачивать всю поверхность зеркала, а не стекать с него,
оставляя сухие участки. Иногда промывание и протирание мелом
приходится повторять несколько раз.
Затем зеркало ополаскивают водой и обрабатывают крепкой
азотной кислотой, которая является мощной окислительной сре-
дой, уничтожающей остатки органических веществ, адсорбиро-
ванных поверхностью стекла. Обработку кислотой надо произ-
водить при помощи тампона из гигроскопической ваты, намотан-
ной на стеклянную палочку и завязанной пеньковой бечевкой,
как это показано на рис. 1. Надо следить за тем, чтобы конец
палочки не касался поверхности зеркала. Обработку азотной
кислотой нужно производить в том же сосуде, в котором зер-
кало будет серебриться, чтобы предупредить возможное загряз-
нение поверхности жиром с рук при его перекладывании и обе-
спечить очистку стенок сосуда. Если зеркало приходится выни-
мать, необходимо при этом надевать резиновые перчатки.
Для очистки стекла иногда можно применять и другие тра-
вящие растворы, например смесь хромовой и серной кислот,
в та смесь действует очень энергично. Если стекло нагреть
Растворе хромовой кислоты, то с его поверхности можно
Удалить даже парафин и обуглившиеся органические вещества,
то °Еле окончательной очистки зеркало надо ополоснуть про>
Чн°й водой и обработать концентрированным раствором хло-
153
ставлено на рис. 2.
Рис. 1. Тампон длч чистки.
1 —бечевка; 2—стеклянный стер-
жень; 3 — гигроскопическая вата.
ристого олова. После 1,нее удаляется энергичным промыванием
в течение нескольких минут. Все хлориды должны быть удале-
ны промыванием сначала в проточной, а затем в дестиллирован-
ной воде. Зеркало может оставаться в дестиллироваиной воде до
начала серебрения.
Для успеха серебрения очень важно тщательно очищать все
рабочие ванны и мензурки. Для удаления пятен и других за-
грязнений изнутри посуды удобно пользоваться длинной палоч-
кой с укрепленной на конце ее чернильной резинкой.
Способ Брешира. Серебрение по Бреширу (Л. IV, 6, 25)пред-
~ рецепта восстанавливающего раствора,
указанные на нем, дают возможность
тремя различными путями получить
один и тот же результат. В первом
из рецептов азотная кислота медленно
расщепляет столовый сахар, обра-
зуя сахарную декстрозу и левулозу.
Это требует некоторой затраты вре-
мени, и раствор до употребления на-
до выдерживать несколько дней.
В другом рецепте срок выдерживания
раствора сокращается кипячением его,
и раствор можно употреблять как
только он охладится.
В третьем рецепте декстроза вводится непосредственно. Спирт
предохраняет раствор от старения, но он не обязателен для
составления второго и третьего растворов, если только не пред-
полагается их длительно хранить. В этом случае добавляют то
же количество спирта, какое указано в первом рецепте.
После четвертой операции может возникнуть опасность
взрыва, что отмечено на рис. 2. Слабая концентрация растворов
и умеренная температура, получаемая при этом, не благоприят-
ствуют образованию взрывчатого гремучего серебра. Эти отно-
сительно слабые растворы дают гремучие соединения обычно
лишь в теплые дни, если их оставить долго стоять. Гремучее
серебро взрывается после высыхания при самом легком сотрясе-
нии, а иногда даже во влажном состоянии. Следовательно, не-
нужные остатки растворов серебра рекомендуется выливать
в канализацию (или немедленно осаждать соляной кислотой). Для
обеспечения безопасности рекомендуется пользоваться защитными
очками.
После прибавления восстанавливающего реактива серебрящий
раствор надо тотчас же вылить на зеркало, фильтровать растворы
не обязательно. Дестиллированную воду, в которой находилось
зеркало, если ее не слишком много, следует предварительно
слить. Вскоре после прибавления восстановителя раствор стано-
вится темнокоричневым, а затем совсем черным. После этого
он постепенно приобретает медно-бурый вид. В этой стадии
154
«а зеркале получается осадок серебра, который сразу же или
через непродолжительное время становится плотным, сплошным.
Сосуд с зеркалом и раствором необходимо время от времени
наклонять, чтобы перемешивать раствор и наблюдать за поверх-
ностью. Когда серебряный слой покроет всю поверхность и на
Рис. 2. Рецепт для серебрения.
Зппасные растворы! а — 300 см3 воды, 20 г
AgNO,; б— концентрированный нашатырный
спирт; в —100 см3 воды, 14 г КОН; г —
30 см3 воды.'2 г AgNO3 (вода дестилтарован-
ная); д — восстановители: 1 — 1л воды. 90 г
сахара, 4 см3 HNO3 концентр., 175 см3 спир-
та (стоять не менег 2-х недель или м-сяц),
или И — 120см3 воды, 11 г сахара, 48 см3 HNO3,
кэнцентр. (прокипятить и охладить — готов
немедленно), или III —120 см31 воды,7,8 г декс-
трозы (готов немедленно).
Операции: 1 — влить аммиак в раствор
яа‘, пока не получится темноторичневый
осадок перекиси серебра и раствор не нач-
нет светлеть; 2 — добавить по каплям аммиак
до полного просветления, но не больше, раз-
мешать мельчайшие частицы, мешать после
каждой капли, до конца; 3—добавить рас-
твор »г“ (AgNOs) для избежания избытка ам-
миака по каплям, пока жидкость не начнет
окрашиваться; 4 — с этого момента можно
опасаться взрыва — работать в очках, посте-
пенно приливать (при помешивании) весь
раствор „в* и хорошо размешать; 5 — при-
бавлять аммиак (сначала по целой капельни-
це, а потом по каплям) до просветления рас-
твора; 6 — п[ ибавлять по каплям раствор
„г“, пока не появится серая окраска или
буроватый осадок, размешивать мелкие час-
тнчки; 7 — профильтровать раствор сквозь
вату; 8 — восстановление: влить 120 см3 вос-
становителя и тут же погрузить в раствор
геркало, подлежащее серебрению, температу-
ра 18° С.
ней начнут оседать черные пятнышки, рекомендуется слегка
протереть ее ватным тампоном. Сначала это протирание должно
быть чрезвычайно слабым и осторожным, а затем, когда слой
серебра станет более толстым, его можно делать энергично, при
чем нужно следить, не появится ли на поверхности зеркала «муть».
Обычно, когда раствор начинает светлеть, он бывает уже почти
использован, и возможность появления мути и налетов в этой
155
стадии возрастет, а поэтому лучше всего раствор свое-
временно слить и ополоснуть зеркало дестиллированной водой.
Операция нанесения сплошного плотного серебряного слот по
методу Брешира длится от 6 до 10 мин.
Если яркий источник света, например солнце, еще виден
сквозь слой, это значит, что последний слишком тонок. В этом
случае необходимо залить зеркало дестиллированной водой
и приготовить химический раствор для вторичного покрытия.
Не следует сушить зеркало между двумя последующими по-
крытиями.
После получения слоя необходимой плотности зеркало, про-
мытое водой, досуха протирают ватным тампоном, и серебро
полируют полирующим тампоном (замша, натянутая на тампон,
обычно применяемый для лакировки туфель) для „уплотнения**
слоя. Готовое зеркало тоже можно полировать таким же тампо-
ном из замши с тончайшим оптическим крокусом. Тампон с кро-
кусом применяют время от времени и в дальнейшем, чтобы
уничтожить потускнение, обычно появляющееся на серебряном
зеркале.
Способ серебрения с сегнетовой солью. Для серебрения
с сегнетовой солью (JL IV, 24) необходимы два раствора.
Раствор А приготовляют так: 5 г азотнокислого серебра рас-
творяют в 300 см3 воды и добавляют в него аммиак, как и при
способе Брешира, так чтобы раствор с выделившейся окисью
серебра был еще достаточно прозрачен, но не полностью. В этом
случае, если раствор случайно сделался прозрачным, его нужно
обратным титрованием слабым раствором азотнокислого серебра
довести до окраски соломенного цвета. Затем его нужно отфиль-
тровать и разбавить до 500 см3.
Раствор В приготовляют следующим образом: 1 г азотнокис-
лого серебра растворяют в 500 см3 воды. Затем его доводят до
кипения и добавляют в него заранее приготовленный раствор из
0,83 г сегнетовой соли в одном литре воды. После этого про-
должают кипячение до тех пор, пока не выпадет серый осадок.
Раствор фильтруют в горячем состоянии и разбавляют до 500 см3.
Такие растворы (А и В) можно хранить в течение месяца
и долее, если их защищать от действия света.
Для серебрения зеркала растворы А и В надо смешать
в одинаковых объемах и сразу вылить в ванну для серебрения.
Указанное количество растворов достаточно для получения плот-
ной непрозрачной пленки на стеклянной поверхности площадью
в 200 см2. Для серебрения рекомендуется температура 20°.
При серебрении с сегнетовой солью серебро оседает очень
медленно: для получения плотного слоя нужно около часа вре-
мени. Можно получить полупрозрачную пленку с любым про-
центом отражения, если зеркало в соответствующее время
вынуть из раствора. О постепенном нарастании пленки судят
по вспомогательным стеклянным пластинкам, расположенным
156
пядом с зеркалом в ванне, которые время от времени вынимают и по
ним судят о ходе нарастания пленки на главных зеркалах.
На рис. 3 представлен наиболее простой способ оценки
плотности полупрозрачного серебряного слоя (для угла паде-
ния в 45°). Готовые полупрозрачные зеркала надо промывать
дестиллированной водой и высушивать. Затем их можно слегка
отполировать осторожным протиранием пуховкой из гагачьего
пуха* с тончайшим крокусом, как рекомендует Пфунд.
У Серебряные слои можно до известной степени предохранить
. Рис. 3. Оценка про «рачности зеркала.
Источник света должен находится как раз ня высоте края зеркала: 1 —
черный бархат; 2 — белая бумага;
а —менеечни полупрозрачное; б — полупрозрачное; в — более плотное,
чем полупрозрачное.
от быстрого потускнения, если к ним приложить фильтроваль-
ную бумагу, намоченную в растворе свинцовой соли уксусной
кислоты и высушенную.
Закрытые таким способом зеркала хранят, пока не придет
время пустить их в дело.
Покрытие зеркал лаком. Другим способом защиты серебра
от потускнения является покрытие серебряной пленки тонким
слоем бесцветного лака. Слой лака несколько снижает коэфи-
циент отражения зеркала и при излишней толщине может
давать интерференционные.цвета. Р. Вуд обратил внимание на то,
что достаточно тонкий прозрачный слой лака на хорошем отра-
жателе не должен давать интерференционных цветов (Л. IV, 37).
Цвета в лаковых пленках обычно наблюдаются вследствие их
сморщивания. Это сморщивание можно видеть непосредственно
только в микроскоп с большой разрешающей силой. Вуд нашел,
что сморщивания не получается и интерференционные цвета не
появляются, если для лакировки зеркал брать коллодион, раство-
ренный в химически чистом перегнанном эфире.
Для того чтобы получить весьма плотную и однородную
пленку лака из раствора коллодиона в эфире, последний надо
испарять медленно. Для покрытия небольших зеркал лаком,
растворенным в эфире, можно предложить коробочку, изобра-
женную на рис. 4.
Химическое золочение по Вернике. В 1868 г. В. Вернике
V, 2) предложил метод изготовления золотых зеркальных по-
157
верхностей. Так как этот метод в настоящее время основательно
забыт, мы приводим здесь соответствующие выдержки. Для
получения на стекле блестящего, крепко пристающего слоя
золота пользуются тремя растворами; растворы сохраняют долгое
время и при употреблении смешивают в определенной пропорции.
1. Раствор хлористого золота в воде —1 г на 120 см3. Хло-
ристое золото растворяют в возможно меньшем количестве
царской водки, затем избыточную кислоту выпаривают на пе-
сочной бане и раствор разбавляют водой до 120 см3. При этом
Рис. 4. Лакировка зеркала.
1 — металлическая кювета для проявления фильм или банка от консер-
вов; 2—отверстия как раз под краем крышки; 3 —края зеркала должны
быть защищены резиновым пояском.
1 — Залить зеркало раствором коллодиума в эфире и плотно закрыть. II —
Вылить раствор, не открывая крышки. Ш — Вращать сосуд медленно
до тех пор, пока зеркало не высохнет, удерживая его в наклонном
положении.
нет необходимости в том, чтобы хлористое золото, содержащее
соляную кислоту, разогревалось до образования хлорного соеди-
нения, так как содержание очень малых количеств кислоты не
имеет особого значения для получения хорошего слоя. Напротив,
весьма важно, чтобы раствор не содержал металлов, выпадаю-
щих при действии восстановителя, в особенности серебра.
2. Раствор едкого натра — удельный вес 1,06. Необязательно,
чтобы щелочь была химически чистой.
3. Восстановитель. Смешивают 50 г самой крепкой серной
кислоты, 40 г спирта и 35 г воды, добавляют 50 г тонко измель-
ченной перекиси марганца и перегоняют на песочной бане при
умеренном нагревании. Пары отводятся в сосуд, содержащий
50 г холодной воды. Дестилляция продолжается до тех пор,
пока объем воды не удвоится. К полученной жидкости, содер-
жащей альдегид и некоторое количество уксусного муравьиного
эфира, надо добавить 100 см3 спирта и 10 г тростникового
сахара, обработанного азотной кислотой, затем добавляют дестил-
лированной воды до 500 см3. Обработку сахара производят
следующим образом: 10 г обычного сахарного песку растворяют
в 70 см3 воды, в раствор добавляют 0,5 см8 азотной кислоты
с удельным весом 1,34 и кипятят в течение четверти часа.
]5£
Восстановитель, если его хранить в надежно закупоренной
бутылке, можно употреблять в течение нескольких месяцев.
Для выполнения золочения плоского или же вогнутого зер-
кала подбирают подходящий стеклянный сосуд. Смешивают одну
часть раствора едкого натра с четырехкратным объемом раствора
золота и добавляют туда же самое большее часть отстоявше-
гося восстановителя. Благодаря выпадению золота жидкость сей-
час же окрашивается в зеленый цвет; тогда стеклянную поверхность,
на которой желают получить осадок, приводят в соприкоснове-
ние с раствором так, чтобы золото могло осаждаться снизу
вверх. Быстрота процесса зависит от температуры. При средней
комнатной температуре (19е) золото начинает оседать через
30 мин. По истечении 11/8 часа образуется слой, имеющий
в проходящем свете роскошную зеленую окраску; после 2 т/2— 3
часов слой пропускает только темнозеленый свет. При 55—50°
осадок становится заметным уже спустя 20—15 мин., при 75°—
еще скорее; однако дальнейшее повышение температуры являет-
ся уже нецелесообразным, так как слой при более теплой
ванне пристает к стеклу значительно хуже. В пределах указанных
границ качество зеркала остается неизменным как в отношении
блеска, так и прочности слоя. Однако не исключена возмож-
ность, что воздух, всегда имеющийся в незначительных коли-
чествах в жидкости, начнет при нагревании выделяться в виде
пузырьков, благодаря чему в слое могут образоваться тончайшие
отверстия и щели, которые хотя и не заметны в отраженном
свете, становятся видимыми в проходящем свете. Поэтому
при применении теплой ванны целесообразно до погружения
стекла прогреть щелочной раствор золота почти до кипячения.
Полученное зеркало надо тщательно ополоснуть водой, поста-
вить наклонно около стены для просушки. Под зеркало надо под-
ложить при этом фильтровальную бумагу; сушку рекомендуется
производить при комнатной температуре. После высыхания можно
зеркало отполировать.
Подготовку и очистку стеклянной поверхности делают так
же, как при серебрении. Однако при золочении последнюю
промывку, в отличие от серебрения, производят при помощи
щелочи, а не кислоты.
Ангерер получал прочный, темнозеленый „на просвет" осадок
золота, смешивая 10 см8 однопроцентного раствора желтого
хлористого золота в воде, 5 см8 однопроцентного раствора
едкого натра и 1 см8 восстановителя Брешира. Раствор сейчас
же окрашивается в зеленый цвет, но получение осадка продол-
жается несколько часов. В этом случае температура сказывается
на длительности отложения, но не влияет на качество осадка.
При использовании в качестве восстановителя раствора Брешира
полировать зеркало нельзя.
Медные зеркала по Френчу. Получение медного осадка на
стекле представляет значительно больше трудностей,, чем сере-
159
брение или золочение. Френч, основываясь на более ранних опы-
тах Фарадея (1857 г.) и Гэтавэй (1907 г.), разработал для этой
цели следующий метод (Л. IV, 12).
а) Очистка стеклянной поверхности. Зеркало
моется сначала в концентрированной азотной кислоте, а затем
в водопроводной воде. Далее его погружают на 1!2 часа в одно-
процентный раствор едкого кали, после чего отмывают в течение
*/2 часа сначала в обычной, а затем в дестиллированной воде. После
этого поверхность зеркала полируют при помощи тщательно обез-
жиренной тряпки. Удовлетворительное удаление следов жира
может быть достигнуто следующим способом: тряпку держат
некоторое время в мыльной кипящей воде, а затем продолжают
кипячение, часто сменяя воду, до тех пор, пока она не станет
совершенно прозрачной. Обезжиренную таким образом тряпку
берут в дальнейшем только при помощи чистого металличе-
ского пинцета.
б) Раствор для омеднения. Приготовляют 11,1-про-
центный раствор едкого кали и насыщенный при 16° раствор
гидрата окиси меди в аммиаке (удельный вес 0,880) и профильтро-
вывают их через стеклянную вату. Потом растворяют 9 г серно-
кислого гидразина в 150 см3 дестиллированной воды и раствор
подогревают до 60°. Затем при одновременном взбалтывании
медленно прибавляют ко второму раствору 90 см8 первого мед-
ного раствора, имеющего температуру 16е. В результате полу-
чается жидкость, имеющая чистую желтую окраску. Ею проти-
рают поверхность зеркала.
Далее, так же при непрерывном встряхивании, к первому рас-
твору еще подливают 87,5 см3 едкого кали, нагретого до 60°. При
этом жидкость принимает светложелтую окраску и не должна давать
никаких осадков. Ее сейчас же выливают в медную ванночку,
помещенную в водяной бане при 43°, и в нее погружают зеркало.
Ванночку некоторое время покачивают, и затем температуру
бани медленно поднимают до 57°. Раствор становится темнозе-
леным и остается таким минут 15; затем появляется розовый
оттенок, и через 20 мин. образуется медный слой.
Для того чтобы его усилить, следует зеркало вынуть из ван-
ночки, а в нее добавить еще 50 см3 медного раствора при 16°
и 10 см3 калиевой щелочи при 60°; затем температуру ванны надо
опять довести до 43°, погрузить зеркало и, вновь подогревая при
непрерывном покачивании, температуру бани поднять до 50°.
Для дальнейшего усиления слоя надо снова произвести охла-
ждение до 43°, прибавить 60 см8 раствора 1 г сернокислого ги-
дразина в указанном выше растворе гидроокиси меди в аммиаке
и вновь разогреть ванну до 50°.
Более значительное усиление слоя можно получить при
помощи электролиза. Электролит приготовляют следующим
образом: растворяют 1 часть винного камня (кислый виннокис-
лый калий) в 10 частях воды, добавляют углекислой окиси меди
160
до насыщения раствора и прибавляют некоторое количество
едкого кали, чтобы получить щелочную реакцию. Сила тока не
должна превышать 0,25 А/дм2.
Гальваническое осаждение металла1
Большая часть указанных в дальнейшем рецептов взята из весьма
обстоятельной статьи Штокмайера „Гальванотехника" („Энцикло-
педия технической химии", т. V).
Металлический покров хорошо прилипает, как правило, толь-
ко к тщательно очищенной поверхности металла. Очищение про-
изводят либо механически, кисточкой из медной или стальной
проволоки, либо химически: для этого сталь, латунь, медь и ни-
кель окунают в десятипроцентный раствор едкого натра; свинец,
олово и цинк—в трехпроцентный раствор соды.
Очистку блестящей (полированной) поверхности рекомендуется
выполнять при помощи венской извести, которую надо смешать
с водой до жидкой консистенции.
Венская известь представляет собой обожженный доломит
(окись кальция — окись магния). На воздухе она поглощает воду
и углекислый газ, а потому ее надо хранить в закрытых сосудах.
Медь и ее сплавы, особенно перед серебрением и золочением,
можно очень слабо амальгамировать в ванне с раствором 1 г ртутно-
цианистого калия и 2 г цианистого калия в 1 л воды.
Сурьма: растворяют 125 г поташа в пятикратном количестве
воды, нагревают до кипения и добавляют маленькими порциями
60 г пятисернистой сурьмы при постоянном нагревании до пол-
ного растворения. Этот раствор разбавляют водой до 1 л.
Анод — отлитая пластинка сурьмы; сила тока — 0,35 А/см2.
Свинец: покрытие свинцом трудно удается. Имеющиеся
в литературе сведения (например, различные патенты) не дают
хорошего рецепта.
Кадмий: 50 г двойной цианистой соли калия-кадмия (полу-
ченной из синильной кислоты) и 10 г цианистого калия растворяют
в 1 л воды. Электролиз ведут при 60—70° током—0,5 А/см2.
Хром: Либрейх рекомендует раствор 200 г хромовой кислоты
в 1 л воды при комнатной температуре.
Анод — платина; сила тока — 50 А/дм2.
Железо: Hal л воды берут 1 кг хлористого железа. Электро-
лиз ведут при температуре 70° и токе в 3—4 А/дм2. Таким путем
можно в два дня получить слой железа в 2 мм толщиной. Катод
(или электролит) должен находиться в постоянном движении.
Электролитическое железо из-за содержащегося в нем водорода
весьма ломко. Если взять раствор 600 г хлористого железа
Покрытие металлов тонкими слоями других металлов подробно описано
в книжке Роу дон «Предохранительные покрытия металлами’, Москва, Гостехиз-
дат, 1939, где содержится литература, охватывающая около 600 названий. Прим. ред.
И Стронг
161
и 667 г хлористого кальция в 1 л воды и вести электролиз при
110° током в 20 А/дм2, то получается мягкое электролитическое
железо с небольшим содержанием водорода.
Золото: 10 г хлористого золота, 20 г цианистого калия рас-
творяют в 1 л воды; ток в 0,2—0,25 А/дм2; температура—комнат-
ная. Значительно лучший слой получается при нормальной тем-
пературе в ванне, содержащей гремучее золото, но так как по-
следнее очень взрывчато, то мы можем рекомендовать ванну,
столь же хорошо работающую без гремучего золота, которую
при употреблении надо нагревать до 70°.
2 г цианистого калия и 60 г сернокислого натрия растворяют
в 750 см3 воды, далее 2 г (продажного) хлорного золота раство-
ряют в 250 см3 воды, и оба раствора сливают в один сосуд.
Плотность тока—0,3 А/дм2 (для золочения стали и железа вме-
сто 2 г цианистого калия берут только 1 г).
Кобальт: 60 г двойной сернокислой соли кобальта-аммония,
30 г борной кислоты растворяют в 1 л воды; температура — ком-
натная; ток—0,4 А/дм2.
Медь: 10 г углекислого натрия безводного, 20 г сернокис-
лого натрия безводного, 30 г двойной соли синеродистой кислоты
меди-калия и 1 г цианистого калия растворяют в 750 см3 воды,
далее 20 г кислого сернокислого натрия растворяют в 250 см3
воды, затем оба раствора соединяют; ток—0,3 А/дм2 при 20°.
Весьма хороший слой должен дать также раствор 100 г серно-
кислой меди в 1 л воды. Однако указания о плотности тока
и температуре отсутствуют.
Марганец: по Дицу можно получить удачный осадок до
0,5 мм толщиной (в 30 мин.), содержащий 99,92% марганца ио
следующему рецепту: растворяют 31,25 г хлористого марганца
и 26,56 г хлористого аммония в 100 см3 воды и ведут электролиз
при 30° током в 25 А/дм2. В качестве анода применяют платину.
Никель: 55 г NiSO4-|-(NH4)2SO4 кристаллического, 40 г бор-
ной кислоты растворяют в 1 л воды. Температура не менее 18°;
ток 0,5 А/дм2. Или: 40 г сернокислого никеля, 35 г лимоннокис-
лого никеля, 35 г лимоннокислого натрия растворяют в 1 л воды.
Или: 50 г сернокислого никеля, 25 г хлористого аммония — в 1 л
воды; температура — комнатная, ток 0,5 А/дм2.
Палладий: 1 г хлористого палладия, 10 г фосфорнокислого
аммония, 50 г фосфорнокислого натрия, 0,5 г бензойной кислоты
растворяют в 200 см3 воды. Указания о температуре и плотности
тока отсутствуют.
Платина блестящая: плотный слой, который по виду на-
поминает слой никеля, дает следующая ванна: приготовляют
слабо пересыщенный раствор соды, сливая с осадка насыщенный
при 35° (приблизительно) раствор. В 200 см3 этой жидкости рас-
творяют 6,25 г „хлорной платины14 (хлорная платина — хлоро-
водородная кислота) и 7,34 г молочнокислого натрия. Электролиз
ведут при 45° током 0,15—0,2 А/дм2.
162
Черная платина (рецепт Люммера и Курльбаума): раство-
ряют 0,4 г свинцового сахара в 200 см3 воды и смешивают 3 см3
этого раствора с 52 см3 воды и 2 г „хлорной платины"; комнат-
ная температура и ток 30 мА/см2 в продолжение 10 мин. Таким
образом можно покрыть черной платиной только поверхность
платины и серебра. Очищение поверхности производится просто
пропусканием тока в обратном направлении. Анод при этом не
расходуется, а истощается постепенно раствор.
Серебро: 46 г двойной соли синильной кислоты серебра
и калия, 11 г цианистого калия растворяют в 1 л воды; темпера-
тура около 18е; плотность тока 0,3 А/см2. Особенно белый по-
кров должна дать следующая ванна: 30—50 г азотнокислого се-
ребра, 30—50 г молочнокислого аммония растворяют в 1 л воды;
ток 0,6—0,3 А/см2; температура — комнатная.
Довольно просто можно получить (правда, весьма тонкий)
серебряный покров посредством так называемого „серебрения
натиранием" смесью, которая состоит в основном из хлористого
серебра и сегнетовой соли. Размешивают немного порошка с во-
дой до получения кашицы и растирают ее тряпочкой по поверх-
ности металла.
Ванадий: Купер-Колер дает следующий рецепт для полу-
чения толстого блестящего слоя ванадия: 10,9 г ванадиевой ки-
слоты (V2O5) и 12,5 г едкого натра растворяют в 1 л воды, а за-
тем прибавляют 2G0 г соляной кислоты (концентрированной); ток
20—22 А/дм2; температура82° (раствор должен содержать не
больше 0,714% окиси ванадия).
Вольфрам: слой вольфрама получить довольно трудно. Со-
гласно выработанному в 1925 г. методу, в фарфоровом тигле
сплавляют 38% Na2WO4, 32% LiWO4 и 30% WO3 и электроли-
зу ют током от 20 до 30 А/см2 при 1020°. При 835° результаты
получаются значительно хуже. Вольфрам оседает хорошо только
на медь и никель и плохо на железо, серебро и палладий. В 10—
30 мин. получают весьма хорошо держащийся слой толщиной
0.03—0,1 мм, затем катод нужно очистить проволочной кисточ-
кой, после чего можно снова вести электролиз. Из какого ме-
талла сделан анод — не указано.
Цинк: получение цинкового покрова связано со значитель-
ными трудностями вследствие электроположительного характера
этого металла.
По Классену можно рекомендовать следующую ванну: 100 г
сернокислого цинка, 40 г кристаллического сернокислого натрия,
5 г хлористого цинка и 2,5 г борной кислоты растворяют
в 500 см3 воды. Затем в получившийся раствор добавляют 3—4 г
аммиачного глицирхицина. Плотность тока и температура не ука-
заны. Второй рецепт: 10 г хлорнокислого цинка, 10 см3 (purissi;
mum) соляной кислоты до насыщения растворяют в 1 л воды;
ток 0,2 А/дм2.
163
Олово: оловянный слой также трудно получить. 17,5 г
„сплавленного хлористого олова", 0,3 г хлористого кадмия, 35 г
пирофосфорнокислого натрия растворяют в 1 л воды и ведут
электролиз током в 0,25 А/дм2.
Тонкий слой олова получают с раствором 5 г хлористого
олова и 1 г „винного камня" (кислый виннокислый калий)
и 100 см3 воды. Кисточку попеременно погружают в этот рас-
твор и в цинковую пыль и намазывают ею поверхность, покры-
ваемую оловом.
Катодное распыление
Несмотря на то, что явления, разыгрывающиеся на катоде при
светящемся разряде в газах, известны уже довольно давно (Л. IV, 17),
сущность процесса остается невыясненной до конца и в насто-
ящее время (Л. IV, 9, 13, 23). Существуют две теории распыления.
Одна из них считает, что эмиссия молекул металла катодом
есть простое термическое испарение, обязанное своим происхожде-
нием высоким температурам,получающимся на отдельных участках,
имеющих молекулярные размеры. Эти возрастания температуры
получаются за счет энергии при ударах ионов.
Другая теория рассматривает более сложный механизм пре-
вращения энергии газовых ионов в энергию молекул металла,
который аналогичен механизму, превращающему энергию свето-
вого кванта в энергию освобождающегося электрона.
Тем не менее, несмотря на неполную ясность, вопрос распы-
ления экспериментально разработан полностью, и его практиче-
ское применение для получения металлических пленок на стекле
оказалось чрезвычайно несложно.
Техника распыления. Распыление можно осуществлять
с большим успехом в самых разнообразных условиях. Так, напри-
мер, давление при тлеющем разряде может колебаться в пре-
делах от 1 до 10~2 мм. Катод, естественно, надо сделать из ме-
талла, который подлежит распылению, но формы его могут быть
весьма различны. Анод делают обычно или из алюминия или из
железа. Тлеющий разряд получают от постоянного напряжения,
хотя иногда применимо и переменное напряжение. Обычно поль-
зуются напряжением значительно выше 1000 вольт, а чаще всего
оно доходит до 20000 вольт. Газ, оставшийся в сосуде, где про-
исходит распыление, может быть воздухом, водородом, аргоном
или каким-либо другим газом. Скорость распыления в гелии
исключительно мала, и этот газ применяют в работах с тлеющим
разрядом тогда, когда желают избежать распыления.
Поверхность, на которую нужно распылить металл, поме-
щается обычно в плоскости, касательной к границе катодного тем-
ного пространства, хотя она может также находиться внутри
. и вне его. Необходимое разрежение можно получить при помощи
механического насоса малой мощности или с помощью более
1Б4
мощного механического или диффузионного насоса, снабженного
регулятором вакуума в форме переменной „течи“.
Типовая установка для распыления изображена на рис.
Камера для распыления обычно состоит из стеклянного колокола с
отверстием наверху для ввода катода. Она может быть сде-
лана из старой бутыли со
срезанным и со шлифо-
ванным на плоскости
дном. В качестве дна
лучше всего служит стек-
лянная плита, но вполне
удовлетворительными
оказываются и металли-
ческие плиты (предпочти-
тельно железные). Для
прикрытия некоторых не-
защищенных металличе-
ских частей, которые мо-
гут помет ат ь распылению,
применяют алюминиевые
пластинки. Перед упо-
треблением весь алюми-
ний рекомендуется хо-
рошо прогреть, чтобы
удалить все следы ма-
шинных масел, которые
могут в нем адсорбиро-
ваться. Стеклянные ци-
линдры и пластинки (рис.
5) помогают сконцентри-
ровать разряд в нужном
объеме. Если эти пла-
стинки и цилиндры ни
разу еще не были в упо-
треблении, то выделенный
Рис. 5. Катодное распыление.
1—ввод иа твердой замазке; 2— соединение, уплот-
ненное пчелиным воском, замазкой Рамзая и пр.; 3 —
стеклянный цилиндр; 4 — стеклянная трубка; 5 — стеклян-
ный колпак или бутыль с отрезанным дном; 6 — уплот-
нение пчелиным воском или мягкой замазкой; 7 — ме-
таллическая трубочка для впускания газа; 8 — к вя-
куумному насосу; 9—провод к источнику напряжения от
10U0 до 20 000 вольт; 10— катод из распыляемого металл»;
И—зеркало; 12 — алюминиевый треножник; 13 — метал-
лическая или стеклянная плита; 14 — к источнику напря-
жения от 1000 до 20 000 вольт.
ими газ в процессе раз-
ряда обусловливает при-
меси посторонних ве-
ществ,портящих образую-
щуюся пленку.
Катод укреплен в
верхней части колокола,
как показано на рисунке.
Он плотно прижимается
к концу стеклянной трубки проводом, подводящим к нему высокое
напряжение. Провод этот закрепляют, намотав его на верхний,
выступающий конец трубки, и замазывают пчелиным воском или
жесткой замазкой (апьезон „W“, шеллак или замазка Котинского).
165
Батарея или мотор-генератор были бы идеальными источни-
ками напряжения при распылении, однако чаще применяют
другие источники. Индукционная катушка также является весьма
удобным источником напряжения, так как в разрядном промежутке
она дает ток частично выпрямленный. Кроме того, можно исполь-
зовать переменный ток от 10000-вольтного трансформатора,
применяемого для питания газосветовых реклам. Ток от транс-
форматора рекомендуется (это не является обязательным) выпря-
мить с помощью кенотрона.
При изготовлении полупрозрачных покрытий рекомендуется
для измерения разрядного тока пользоваться миллиамперметром.
Если установка для распыления прокалибрована, то сила тока
служит хорошим указателем для определения той экспозиции,
которая требуется для получения необходимого соотношения
между коэфициентами пропускания и отражения. Скорость рас-
пыления можно регулировать, меняя накал нити в кенотроне.
Скорость эта возрастает несколько быстрее по сравнению
с прямой пропорциональностью по отношению к току распыления
и зависит до некоторой степени от температурных условий,
давления и геометрических размеров катода.
Для изготовления зеркал, когда требуется точно воспроиз-
водить толщину пленки, рекомендуется пользоваться мощным
насосом и непрерывно промывать колокол воздухом или водоро-
дом. Принимая во внимание, что испарение металла вначале бывает
капризным и разряд устанавливается не сразу, полезно, пока
распыление не станет вполне устойчивым и достаточно эффект-
ным, прикрыть зеркало кусочком слюды. Последний укреп-
ляют на стерженьке, к которому прикреплен кусочек железа так,
чтобы слюду можно было легко сдвинуть сквозь стенку колокола
извне при помощи магнита или сбросить с зеркала, легко толк-
нув всю систему.
Давление при распылении подбирают так, чтобы протяжение
темного пространства было равно расстоянию между зеркалом
и катодом. Каждому давлению должна соответствовать опреде-
ленная разность потенциалов на электродах, обеспечивающая
оптимальные условия распыления. Чем давление ниже, тем выше
должна быть разность потенциалов. Так что три величины —
расстояние между электродами, давление и разность потенциалов-—
связаны между собой.
Катод должен иметь такую форму, чтобы граница темного
пространства была строго параллельна поверхности зеркала. Для
плоских или почти плоских зеркал катод делается плоским,
а для сильно искривленных зеркал он должен быть соответ-
ствующим образом искривлен.
. .П-образный плоский катод применяют в тех случаях, когда
приходится одновременно покрывать обе стороны пластинки,
а. при покрытии внутренней поверхности трубки катод делают
в, форме спирали, помещенной внутри трубки, при этом надо
,166
учитывать, что ее длина не должна быть на много больше
внутреннего диаметра. Наоборот, для покрытия нитей со всех
сторон, а также для покрытия внешней поверхности трубок
следует применять полый цилиндрический катод.
Если работает мощный насос, то для распыления можно
пользоваться воздухом, водородом или аргоном. Водород заслу-
живает предпочтения, даже несмотря на то, что он дает мень-
Рис. 6. Измерения скорости распыления катоца, выполненные Гюнтершульце.
1 —* аргон; 2 — азот; 3 — водород; 4 — гелий; 5 — вольфрам; 6 — тантал; 7—молибден; 8 —железо;
9 — алюминий (распыление металлов 5—9 происходит в водороде).
шую скорость распыления. Водород может быть взят из баллона
или из прибора, где он добывается электролизом. Относительные
скорости распыления различных металлов в различных газах
приведены в табл. 1 и на рис. 6.
Таблица 1
Скорость распыления металлов
Наблюдатель Газ Скорость распыления в нисходящем порядке
Крукс Колыпюттер Блехшмидт Гюнтершульце .... Гюнтершульце воздух N3 А н2* о2* Pd, Au, Ag, Pb, Sn, Pt, Cu, Cd, Ni, Ir, Fe, Al, Mg Ag, Au, Pt, Pd, Cu, Ni, Cd, Ag, Pb, Au, Sb, Sn, Bi, Cu, Pt, Ni, Fe, W, Zn, Si, Al, Mg Bi 1470, Те 1200, As 1100, T1 1080, Sb 890, Ag 740, Au 460, Pb 400, Zn 340, Cu 300, C 262, Sn 196, Fe 68, Ni 65, W 57, Co 56, Mo 56, Mn 38, Cd 32, Al 29, Cr 27, Ta 16, Mg 9 Zn 1030, T1 650. Ag 614, Au 423, Pb 320, Cu 236, Sn 227, Fe 86, Mo 80, W 49, Ni 52, Cd 28
Числа табл. 1, соответствующие индексу % указывают скорость распыле-
ния в миллиграммах на ампер-час при условии разности потенциалов на элек-
тродах в 770 вольт и плотности тока, равной 7 миллиамперам на квадратный
«антиметр катода (Л. IV, 10,21,18). F v
167
Е. О. Гульбурт (Л. IV, 19) произвел ряд исследований процесса
распыления. Он определил скорости распыления в атмосфере воз-
духа при низких давлениях, дающих темное пространство около 5 см.
Применяемое им напряжение было от 1000 до 3000 вольт,
а сила тока равнялась 50 миллиамперам. Катод имел диаметр
в 5 см и находился на расстоянии от 2 до 4 см от покрываемой
поверхности. Полученные Гульбу ртом результаты приведены
в табл. 2.
Этим исследователем установлено, что применение ртутных
паров значительно увеличивает скорость распыления хрома,
алюминия и кремния. Оптические пленки из этих металлов
в парах ртути были получены менее чем за 15 часов. Хорошие,
но не вполне плотные (прозрачные) оптические пленки из берил-
лия удалось получить только после распыления в водороде
и парах ртути в течение 60 часов.
Таблица 2
Время, необходимое для нанесения металлической пленки распылением
Металл
Время
Sb, Bi, Cd, Au, Pb, Pt, Ag, Sn, Zn . . .
Co, Cu, Ir, Fe, Mi, Se, Те .............
Mo, Ta, W................................
Al, Be, C, Cr, Mg, Si...................
Непрозрачное покрытие за 1 час
Непрозрачное покрытие за 2 часа
Непрозрачное покрытие за несколькс
часов
Исключительно низкая скорость
распыления
Чистка и сушка подложек и фигуры запотевания их при
дыхании. Получить поверхность подложки чистую ив то же
время сухую, как этого требует распыление и испарение метал-
лов, значительно труднее, чем произвести уже описанными спо-
собами очистку поверхности для химического серебрения, которую
можно сохранять под водою. Большая часть хорошо очищенных
и затем высушенных при помощи гигроскопической ваты
или полотенца подложек конденсирует дыхание в виде серой
пленки. Причина этого явления заключается в том, что во время
протирания поверхность стекла покрывается тончайшим слоем
загрязнения, который обычно представляет собой мономолеку-
лярную пленку одной из жирных кислот, нанесенную ватой.
На такой пленке вода конденсируется в виде очень мелких
капелек, в то время как на действительно чистой поверхности
она конденсируется в виде невидимой оптически однородной
пленки. .
* Подложки для обработки в вакууме нужно очищать хими-
ческим способом и потом сушить в эксикаторе. На таких под-
ложках дыхание дает равномерный прозрачный осадок. Сушку
поверхности подложки, не загрязняя ее, можно производить и
с помощью полотна, как это с успехом рекомендует В. Б. Гарди.
168
пн нашел, что для этого нужно взять полотенце, тщательно
обезжиренное с помощью весьма чистого бензина.
Тем не менее практически более удобно удалять загрязне-
ния, оставляемые полотенцем при протирании поверхности, чем
рассчитывать на полное отсутствие этих загрязнений. Такая
сухая очистка осуществляется при помощи бомбардировки под-
ложки ионами.
Изучением воздействия ионов на поверхность стекла занима-
лись еще Айткен и Релей. Они заметили, что если острием
пламени от паяльной трубки быстро провести по поверхности
стекла, то пламя очистит эту поверхность, что можно проверить
по виду последней при дыхании. Иначе говоря, если влага от
дыхания конденсируется на всем стекле в виде серой пленки,
состоящей из мелких капелек, то участки, где пробегало пламя,
представляют исключение, и дыхание конденсируется на них
в виде сплошной черной пленки (Л. IV, 1,27).
Т. И. Бекер и другие изучали конденсацию дыхания на поверх-
ности подложки (Л. IV, 3). Так, например, Бекер нашел, что конден-
сация получается тем лучше, чем горячее пламя, которое в силу
этого богаче ионами. В числе интересных явлений, обнаружен-
ных в процессе его исследования, было установлено, что дыха-
ние хорошо конденсируется, если пользоваться для очистки
поверхности электрической искрой, при чем очень интересно,
что конденсированное дыхание можно перенести с одной стеклян-
ной пластинки на другую, если обе пластинки держать совсем
рядом, однако так, чтобы они не соприкасались. Он также
нашел, что черная площадка является хорошим проводником
электричества и что коэфициент трения между стеклами чрезвы-
чайно велик на черных участках. На рис. 7 представлен про-
стой опыт, демонстрирующий разницу в трении между стеклами,
которые были очищены огнем, и стеклами, которые не подвер-
гались такой очистке.
А. С. Ф. Полляр нашел, что хорошо пристающую пленку
химически нанесенного на стекло серебра можно легко получить,
если по поверхности этого стекла несколько раз провести пламе-
нем обыкновенной паяльной лампы до погружения стекла
в серебряный раствор. Он также нашел, что в течение короткого
времени свеже расколотая стеклянная поверхность конденсирует
влагу в виде сплошной черной пленки (Л. IV, 25).
Параллельно тому, что наблюдал Полляр, было установлено,
что пленки из алюминия, полученные испарением в вакууме,
настолько прочно пристают к тем участкам, которые были
очищены пламенем, что их не удается удалить, даже стирая
пленку при помощи кожаного тампона, в то время как тампон
легко удаляет алюминий с участков, на которые пламя не попа-
дало (Л. IV, 34). Следовательно, конденсация паров в виде чер-
ного пятна и хорошее прилипание алюминиевой пленки
наблюдаются после того, как поверхность стекла подверглась
169
действию электрической искры при атмосферном давлении или
действию тлеющего разряда при пониженном давлении. Объясне-
нием этих явлений служит то, что ионы от горячего пламени
искры или от тлеющего разряда хорошо очищают поверхность
стекла.
Практически это явление проще всего использовать для
окончательной очистки поверхности стекла, подвергая его при
Рис. 7. Опыт, демонстрирующий из-
менение коэфициента трения от воз-
действия пламени.
I — зона, подвергнутая действию пламени —
стеклянное острие задевает и свистит; 2 —
стеклянная палочка, вытянутая в острие; 3 —
стеклянная пластинка; 4— зона, на которую
пламя не действовало — острие скользит плавно,
без скрипа.
атмосферном давлении, до помещения в вакуум, действию искро-
вого разряда от электрода или воздействию тлеющего разряда
в сосуде для испарения в то время, когда происходит его
откачка, но вакуум ещё не достигнут.
Очистка зеркал для алюминирования. Если алюминий нано-
сится на поверхность стекла, которая не была очищена согласно
указанным выше требованиям, прилипание пленки к нему будет
плохим по сравнению с тем, какое наблюдается при покрытии
хорошо очищенной поверхности. Во многих случаях зеркало
•сначала будет иметь достаточно хороший вид, однако по про-
шествии одного дня или около этого на нем может появиться бес-
численное количество мелких пузырьков и трещинок.
Первая стадия процесса очистки перед алюминированием
.аналогична тому, что требуется при химическом серебрении.
Предварительная очистка чернильной резинкой должна произво-
диться исключительно тщательно.
Образовавшиеся от пузырьков в стекле небольшие углубле-
ния на поверхности зеркала, в которых находятся остатки кро-
куса и смолы, после полировки должны быть удалены промыванием.
Если крокус и смола, находящиеся в мелких ямках от пузы-
рей, не удалены, полотенце, служащее для протирания зеркала,
может захватить немного смолы и размазать ее по поверхности
зеркала в виде слоя слишком толстого для того, чтобы его
можно было бы удалить электрической очисткой.
После того как зеркало было очищено и промыто (как это
«было сказано ранее в отношении серебрения), его вытирают
чистым полотняным полотенцем. Рекомендуется пользоваться
старыми полотенцами вследствие того, что после нескольких
стирок они становятся более гигроскопичными и содержат меньше
жирных веществ, чем гигроскопическая вата. Надо строго следить
за тем, чтобы не загрязнить свеже выстиранные полотенца, до-
J70
трагиваясь до них руками в тех местах, которые будут впослед-
ствии служить для протирания поверхности зеркала.
После этого зеркало можно подвергнуть воздействию распы-
ляющего тлеющего разряда на насосе при непрерывной откачке,
обеспечивающей надлежащее давление газа.
Покрытие испарением
В самое последнее время получил широкое распространение
метод нанесения тонких слоев, основанный на конденсации на
холодной поверхности паров веществ, полученных в вакууме
(конденсация из газовой фазы). На русском языке недавно по-
явилась книжка С. А. Векши некого „Новый метод металлографи-
ческого исследования сплавов. Этюды металлографии конденси-
рованных систем" (Москва, Техтеоретиздат, 1944), в которой
нашли свое отражение последние работы в этом направлении.
Особенное значение они имеют для получения весьма совершен-
ных зеркал с наружным отражающим слоем, чаще всего из
алюминия. Весьма ценные сведения о технике испарения собраны
в статье Осей L. О., Smith С. S. и Crittenden Е. С. „Technics
for Evaporation of Metals" I. of. appl. Physics, v. 16, p.p. 425 (1945).
Испарение. Способ испарения для нанесения тонких
пленок на стекло, кварц и т. д. очень прост. Небольшой
кусочек металла (или даже неметалла) нагревают в высоком
вакууме до тех пор, пока давление его паров не станет равным
давлению ртутных паров или остаточного газа порядкаЮ”2 мм и даже
больше; при этом металл начинает выделять по всем направлениям
молекулярные лучи. Степень разрежения, необходимая для успешно-
го протекания этого процесса, должна быть такова, чтобы
средняя длина пробега молекул была бы больше диаметра
эвакуируемого сосуда. Благодаря этому молекулы разлетаются
во все стороны от источника молекулярных лучей без столкно-
вения друг с другом, пока они не встретят стенки сосуда или
поверхность любого другого предмета, находящегося внутри
сосуда. Поверхность зеркала, на которую требуется нанести
слой, устанавливается на пути этого молекулярного потока,
и благодаря конденсации его на зеркале появляется пленка.
Необходимо отметить интересный факт, состоящий в том, что
пленка, образовавшаяся вследствие конденсации, точно сохра-
няет качество полировки того стекла, на котором она образо-
валась, и не требует совсем последующей полировки, как это
имеет место в случае химического серебрения. Кроме того,
пленка получается без значительного разогревания зеркала.
Несмотря на то, что метод испарения был известен с 1912 г.,
он оставался мало изученным даже после того, как получил
исключительно широкое практическое применение в повседнев-
ной лабораторной практике (Л. IV, 26). Среди причин, способство-
вавших его широкому и быстрому распространению, в настоящее
время нужно отметить следующие: усовершенствование техники
применения вольфрамовых нагревателей с чистой поверхностью
(Л. IV, 28), пригодность этого способа для получения неметалли-
ческих пленок, особое удобство его для получения пленок из
алюминия (Л. IV, 30), а главное — успехи техники мощных высоко-
вакуумных насосов (см. главу III).
Вещество, дающее хорошую пленку способом испарения,,
должно быть химически и термически устойчивым, иметь
достаточную упругость паров и обеспечивать возможность нагре-
вания до температуры, необходимой для его испарения в вакууме.1
Рис. 8. Печь для предварительного прокаливания вольфрама
в водороде.
1 — маленькое пламя воцороця; 2 — подводка водорода; 3 — провода к ис-
точнику тока; 4 —резиновая пробка; 5—сосуд; 6 — латунная трубка;
7 — спираль для прокаливания; 8 — крючки из медной проволоки, при-
паянные к латунным трубкам.
Вольфрамовые нагреватели, применяемые ныне для нагре-
вания некоторых металлов до температуры испарения, изобра-
жены на рис. 11 и от 14 до 17. Температуры испарения неко-
торых металлов в вакууме приведены в табл. 3.
Большинство металлов плавится еще до начала интенсивного
испарения, но расплавленный металл удерживается на поверх-
ности вольфрамовой спирали благодаря смачиванию и поверхност-
ному натяжению.
Некоторые металлы, например магний, возгоняются еще до пла-
вления. Однако среди них следует отметить и такие, например
хром, которые возгоняются очень медленно вследствие того, что
такой металл нельзя нагреть при помощи излучения от воль-
фрамовой проволоки в вакууме до температуры, приближающейся
к температуре плавления. Испарение таких металлов можно про-
изводить двумя способами: один из них состоит в том, что пред-
варительно металл доводят до температуры плавления в воль-
фрамовой спирали в атмосфере водорода или гелия. Эти газы
1 Дополнительные сведения в статье Colduell W. С. J. of appl. Phys., v. 12,
p.p. 779 (1941).
172
Таблица 3
Температуры испарения различных
металлов, при которых упругость
паров достигает 10-2 мм р. ст<
Вещество Температура испарения абсолютная Вещество; Температура испарения абсолютная
Hg 320 Pb 1000
Cs , 433 Sn 1148
Rb 450 Cr 1190
К 480 Ag 1319
Cd 541 Au 1445
Na 565 Al 1461
Zn 623 Cu 1542
Mg 712 Fe 1694
t Sr 811 Ni 1717
Li 821 Pt 2332
Ca 878 Mo 2755
Ba S05 C 2795
Bi 913 w 3505
Sb 973
платина или бериллий.
облегчают обмен тепла между вольфрамом и хромом или другим
металлом, задерживая в то же время испарение металла (рис. 8,
стр. 172).
После того как произойдет
смачивание вольфрамовой про-
волоки расплавившимся метал-
лом, уменьшают накал про-
волоки, а газ откачивают. Тог-
да металл в вакууме будет
быстро испаряться, так как к
нему можно подвести доста-
точно тепла за счет теплопро-
водности, увеличивая вновь
накал до нужной температуры.
Второй способ состоит в
предварительном покрытии по-
верхности вольфрамовой про-
волоки хромом или другим
подлежащим испарению туго-
плавким металлом гальвано-
пластическим способом. После
осторожного обезгаживания с
такой проволоки в высоком
вакууме металл легко возго-
няется (Л. IV, 32,36). И первым
и вторым способом можно
испарять такие металлы, как
Часто возникает необходимость тот или иной металл, кото-
рый потом должен подвергаться возгонке, предварительно рас-
плавить, чтобы удалить заключенные в нем примеси. Такие
металлы, как кальций, магний и кадмий, рекомендуется предва-
рительно расплавлять в атмосфере гелия для того, чтобы уда-
лить газы и подготовить их для испарения. Однако многие
металлы, например железо, никель, бериллий, хром, платина
и алюминий, вступают в реакцию с вольфрамовой спиралью.
В связи с этим способами, описанными выше, их удается испа-
рять лишь для получения лабораторных зеркал небольших раз-
меров. На рис. 9 изображен удобный способ крепления спира-
лей в вакууме.
Техника испарения алюминия. Техника испарения алюминия
с вольфрамовой спирали особенно интересна тем, что этот металл
очень удобно наносить на поверхности, когда требуется получить
максимальное отражение как в крайней ультрафиолетовой, так
и в видимой областях спектра и при этом избежать быстрого
потускнения зеркала.
Прингсгейм и Поль нашли, что целый ряд металлов (вклю-
чая алюминий) можно испарять в, вакууме и осаждать на стек-
лянную поверхность так, чтобы получать полированный хорошо
173
основании этих
Рис. 9. Изолированные дер-
жатели для спиралей.
1 —слюда; 2 —проводник, подво-
дящий ток; 3 — мягкий медный
крючок для крепления провод-
ников.
отражающий слой. Они испаряли металл непосредственно из
тигля, сделанного из магнезита. Р. Ритшель в 1928 году приме-
нил метод испарения при изготовлении полупрозрачных зеркал
для интерферометра, нагревая серебро прямо в вольфрамовой
спирали.
Этот способ имеет то преимущество, что вольфрам сам не
испаряется и не выделяет в вакууме газы в таком количестве^
как это имеет место в случае тигля из магнезита.
опытов Картрайт и Стронг разработали
простую установку для осуществления
процесса испарения в лаборатории и
проверили его применимость на раз-
ных металлах. Современная техника
испарения металлов сводится к осто-
рожному нагреванию их в геликои-
дальной спирали из вольфрама. Она
дает наилучшие результаты для всех
металлов кроме алюминия и бериллия,,
в которых спираль из вольфрама может
растворяться. Было сделано немало
попыток применять те же техниче-
ские приемы для испарения алюминия
(Л. IV, 7, 8). Опыты производились с
тиглями из графита, из чистого обож-
женного магнезита, алунда (сапфир), а также из синтезированной
и прокаленной окиси тория.
Эти опыты показали, что нагревание в тигле нецелесообразно
вследствие того, что металл вступает в реакцию с веществом
тигля, и последний начинает выделять пары и газы когда алю-
миний расплавится.
Было установлено, что вольфрам имеет в расплавленном
алюминии лишь ограниченную растворимость; это заставило при-
знать, что применение голой вольфрамовой проволоки в качестве
нагревателя при испарении оказывается наиболее простым и прак-
тичным методом (Л. IV, 31).
Химический анализ сплава с вольфрамом, образующимся при
плавлении алюминия в вольфрамовой спирали, показал, что рас-
творимость вольфрама в алюминии составляет по объему всего
около трех процентов.
Необходимо только предотвратить перегорание вольфрамовой
спирали, сделав ее относительно большего диаметра и располо-
жить на ней порции алюминия так, чтобы при расплавлении
алюминия диаметр спирали заметно не изменился за счет раство-
рения в нем вольфрама.
Можно ожидать, что некоторое количество растворенного воль-
фрама тоже испарится, тем более, что во время испарения можно
наблюдать его спектр (Л. IV, 16). Чтобы это проверить, до и после
испарения нескольких загрузок алюминия очищенную от него
174
спираль взвешивали. Вместо по-
тери в весе обнаружилось его
увеличение, указывающее на то,
что некоторое количество алю-
миния продиффундировало в тол-
щу вольфрама. Однако если после
этого спираль нагревать продол-
жительное время в вакууме при
очень высокой температуре, то
вновь начинается уменьшение
в весе до тех пор, пока он в пре-
делах ошибки опыта не достиг-
нет исходного значения. Для
того чтобы установить, испарялся
ли при этом вольфрам, был произ-
веден химический анализ кон-
денсированного металла. Анализ
не дал определенных указаний на
присутствие вольфрама, хотя
точность его была такова, что
концентрация равная 0,03% по
весу была бы уже вполне опре-
делима. Таким образом, невиди-
мому, в процессе испарения рас-
творившийся в алюминии воль-
фрам вновь целиком оседает на
спираль, а следствием того, что
он не может отлагаться строго
на прежнем месте, с которого
растворился, является сильное
изменение диаметра вольфрамо-
вой проволоки на разных участ-
ках ее длины.
Приспособление, которым пер-
воначально пользовались при алю-
минировании зеркал в Калифор-
нийском Технологическом инсти-
Рис. 10. Изготовление вольфра-
мовых спиралей-испарителей;
1 — шаблон для изготовления спи-
ралей 0 8 мм, длина 100—120 мм; 2 —
шаг Б—6 мм; 3 — вольфрамовая про-
волока, навиваемая на шаблон; 4 —
проволочные гусарики из металла,
подлежащего испарению, насаживае-
мые на каждый виток спирали.
туте, изображено на рис. 10 и И.
Оно имеет форму спирали из
10 оборотов, свернутой из воль-
фрамовой проволоки 0 0,8 мм,
при чем диаметр ее оборота
равен 8 мм, а шаг около 6 мм.
Рис. 11. Подготовка испари-
теля:
1 — вольфрамовая проволока; 2 —
алюминиевые гусарики; 3 — спираль
готова к прогреванию; 4 — алюминий.
К каждому витку спирали подвешивают по кусочку алюминиевой
Проволоки диаметром 1 мм и длиной около 10 мм, при чем эта
проволока согнута так, что образует U-образную форму (рис. 10).
При разности потенциалов в 20 вольт на спирали кусочки
эти в вакууме в течение 4 секунд расплавляются и смачивают
175
вольфрам, как это показано на рис. И. В этой стадии смачи-
вание и поверхностное натяжение удерживают расплавленный
алюминий на поверхности вольфрама, он не стягивается в капли,
так как такая предварительная плавка очищает поверхность метал-
лов от окислов и других загрязнений. В больших сосудах диа-
метром 1 м(рис. 12) спирали следует покрывать защитными экран-
Рис. 12. Алюминиро-
вание больших зеркал.
1—к источнику тока; 2—
сальник; 3 — ручка для по-
ворота выключателя и зас-
лонов; 4 — петля для под-
нимания колпака; 5—воль-
фрамовая спиралька; 6 —
выключатель; 7 — наруж-
ный футляр; 8 — поворот-
ные заслоны; 9 — электрод
для очистки поверхности
зеркала от адсорбирован-
ных газов; 10 — съемный
внутренний футляр из ла-
туни, на котором крепятся
выключатель и спирали;
11 —- окошко; 12 — сталь-
ная стенка колпака до 6—8
мм толщиной; 13— к ваку-
умному насосу; 14—зерка-
ло 900 мм; 15 — болт; 16 —
канавка для уплотнения из
свинцовой проволоки;17—
стальная плита с ребри-
стыми выступами для боль-
шей жесткости.
чиками на время пропускания предварительного электрического
разряда для очистки поверхности. Конечной операцией является
перегонка алюминия со спиралей, при указанной выше разности
потенциалов на каждой спирали, длящаяся примерно в течение
15 сек.
Оказалось, что, в сущности, алюминий быстрее испаряется не
€ поверхности расплавленного металла, а с прилегающего к нему
участка вольфрамовой проволоки.
** Это ясно видно на псевдо-„фотографии“ разогретой нити,
воспроизведенной на рис. 13. Эта псевдо-„фотография“ была
зафиксирована на стекле с помощью самих молекулярных лучей
алюминия, прошедших сквозь маленькое отверстие (молекулярная
камера обскура).
rt последнее время разработан новый тип источника молеку-
лярных лучей испаряющегося алюминия, который дает возмож-
ность более быстро испарять алюминий, при чем возможность
разбрызгивания или образования капель расплавленного алюми-
ния при этом значительно меньшая. Эта новая модель испарителя
состоит из трех или четырех вольфрамовых проволок 0 0,5 мм,
скрученных вместе, как это показано на рис. 14. Подлежащую
испарению порцию металла помещают на них так, как это пока-
176
зано на рис. 10. При нагревании проволоки кусочки алюминия
расплавляются и заполняют пространство между ними. Алюми-
ний сплошь покрывает вольфрам равномерным слоем и это дает
оптимальное отношение молекулярного излучения к тепловому
(инфракрасному).
На рис. 15 показано, в каком виде можно применить этот
новый вид испарителя для испарения золота. Когда кусочек
Рис. 13. Автоматическое фиксирование процесса испарения алюминия
с вольфрама.
золота, положенный в конусообразную чашечку, расплавится,
поверхностное натяжение гонит его на вольфрам, и оно запол-
няет пространства между скрученными проволоками с одного
конца их до другого.
Для испарения серебра и меди лучше изготовлять испарители
из молибдена, а не из вольфрама, так как последний хуже сма-
чивается серебром и медью.
Для испарения платины изготовляют испаритель по типу,
изображенному на рис. 14 и состоящему из трех вольфрамовых
проволок 0 0,5 мм и одной платиновой того же диаметра. Тогда
отношение теплового излучения к молекулярному излучению
металла достигает минимума.
Кроме того, иногда применяют также и более сложный спо-
соб нанесения платины на вольфрамовую подогревательную нить
гальванопластикой. В этом случае процесс испарения следует
производить более осторожно, так как если пропустить слишком
сильный ток, то равномерного испарения не получится и от
испарителя будут отскакивать кусочки металла.
Хром легко испаряется с испарителя подобного тому, кото-
рый изображен на рис. 15. Кусочек металла помещают в „чашечку®
12 Стронг
177
Й предварительно разогревают в атмосфере водорода или гелия,
чтобы расплавить его и дать ему растечься по поверхности
вольфрама. Различные другие формы испарителей, которые нахо-
дят применение, изображены на рис. 16 и 17.
f Рис. 15.гИспаритель2в фор-
'у ме конуса.
•' ] — тройной канатик из вольфра-
I. испои проволоки 0_О,5—0,1 мм.
Рис. 14. Один из воз-
можных способов кре-
пления испарителя.
1 — тройной кв натик из
вольфрамовой проволоки
0 0,5—0,3 мм; 2 — виток
спирали с шагом 8 мм,
длина спирали — 75 мм;
3 — стойки, свернутые из
толстой медной проволо-
ки 0 1,5—Ч. мм.
Рис. 16. Другие виды испари-
телей.
1 —19112 витков вольфрамовой прово-
локи 0 0,5—0,1 мм, навитой с шагом
в 3 мм; 2— металл, подлежащий ис-
парению, закладывается внутрь спи-
рали; 3 — проволока диаметром О,7—
0,1 мм; 4 — металл, подлежащий испа-
рению, помещается внутрь конуса.
Вакуумная установка. Процесс испарения производится
в вакууме, где давление составляет 10-3 мм ртутного столба
или еще меньше. Для мелких зеркал необходимый вакуум можно
получить с помощью установки, описанной в предыдущей главе.
Установка, изображенная на рис. 12, где сосуд имеет диаметр
в 1 м, применяется в Калифорнийском технологическом инсти-
туте для зеркал большего размера. В литературе имеются опи-
сания установок еще больших размеров (Л. IV, 30).
Электрод, применяемый для очистки поверхности электри-
ческим разрядом, изображенный на рис. 12, позволяет получать
разряд в эвакуируемом сосуде, куда зеркало положено еще во-
время предварительной откачки, производимой с помощью гру-
бого насоса; этот разряд обеспечивает окончательную очистку
поверхности зеркала от адсорбированных газов и влаги. Алю-
миний рекомендуется испарять тотчас же после того, как будет
178
достигнут такой вакуум, при котором разряд прекращается.
При этом получается наилучшее сцепление между пленкой алю-
миния и стеклом, а также обеспечивается получение наиболее
прочных пленок»
а
Рис. 17. Испарители для веществ, не смачиваю-
щих вольфрам.
а — плоская вольфрамовая ленточка с углублением для
металла, подлежащего испарению; б — другой вид испари-
теля из плоской ленточки: 1 — вольфрамовая ленточка,
сложенная так, чтобы образовалось углубление для испа-
ряемого металла; 2— изгибание ленточки для образования
углубления; в — танталовый колпачок с углублением, наде-
ваемый на подогревательную спираль для испарения оксидов
или легких металлов.
Получение пленок одинаковой толщины. Для того чтобы
получить равномерное покрытие поверхности большого зеркала,
предпочитают испарять алюминий с испарителя специальной
формы, а не применять испарители передвигающиеся.1
Бонэ-Мори (Л. IV, 5) изучал способ испарения полония в высоком
вакууме из точечного испарителя для оценки распределения кон-
денсирующегося металла. Этот металл был им выбран вслед-
ствие его радиоактивности, позволяющей оценить толщину слоя.
Автор нашел, что конденсация на каждом участке плоской по-
верхности получается в количестве обратно пропорциональном
квадрату расстояния от испарителя и косинусу угла между нор-
малью к поверхности и линией, проведенной между испарите-
лем и участком поверхности. Можно предполагать, что это будет
справедливо и для других металлов, имеющих низкую упругость
паров при комнатной температуре.
Исходя из этого предположения, мы можем уже рассчитать
распределение толщины пленки т на разных участках, в зависи-
мости от условий эксперимента. В случае испарения на внутрен-
нюю поверхность сферы радиуса р из точечного источника, на-
1 С. А. Векшинский (см. выше) подтверждает это и дает способы расчета
толщины слоя. Прим. ped.
12*
179
ходящегося в ее центре, это распределение будет равномерным.
Мы получаем однородную пленку, толщина которой т0 равна:
т
Здесь т — масса испарившегося металла и д — его плотность.
Если толщина в точке Ро на плоской поверхности на расстоянии
Р от источника по нормали будет т0, то толщина пленки в другой
точке Р будет:
тр = п cos 0 = т0 . (2)
4пдг ° \ rj v '
Здесь тр — толщина в точке Р, г — расстояние от источника до
Рис. 18. Расположение испа-
рителей над зеркалом.
1 — радиус, принятый за единицу:
2 — накаливаемые спирали; 3 —
зеркало, подлежащее покрытию.
точки Р, а 6 — угол наклона поверх-
ности к молекулярному лучу, испуска-
емому испарителем и падающему в
эту точку.
Толщин}' пленки, полученной на
плоской поверхности из сложного ис-
парителя, состоящего из ряда отдель-
ных испарителей, расположенных по
окружности, можно рассчитать по той
же формуле, применив ее для каждого
отдельного простого испарителя (рис.
18). Если имеется N спиралей, распо-
ложенных на одинаковом расстоянии
друг от друга по окружности и нахо-
дящихся на расстоянии р от поверх-
ности, на которую следует нанести
покрытие, то толщина пленки на по-
верхности в точке Р, которая находится
на расстоянии а от проекции центра
окружности на поверхность зеркала,
будет найдена по следующей формуле:
N
(з)
4r.dN f.
1 1
Здесь rl—расстояния от точки Р до спиралей, а М—вся масса
испаренного металла, размеры которой получаются суммирова-
нием по индексу Z.
Д-р Эдвард Торндейк сделал тот же расчет, предполагая, что
испаритель представляет собой сплошной круг. В этом случае
толщина слоя получает математическое выражение в виде:
2к
Л1р Г db
Xp~Zv?dJ t'A ’
о
(4)
180
Здесь точечный источник, находящийся на расстоянии г от
точки Pt заменен линейным источником, который, в свою очередь,
представляется элементом угла dO на расстоянии г, как и прежде.
Для числовых расчетов необходимо вычислить интеграл:
____________dO__________
(1 + а2 + р5 — 2а sin 6)%
_________f_______________Е f 2 У~а \
[(« -1)2 +ps] Л« + 1)2+?_1)2 + fl
(5)
где Е представляет эллиптическую функцию (Л. IV, 4). Численные
значения этого интеграла, вычисленные Торндейком, даны в табл. 5.
Таблица 5
2п
и fdG
Численные значения / для различных параметров
о
а 1 Р = 2 Р=1 Р=1Д р=1,2 Р = 2 р = 4
0,00 4,50 2,22 1,91 1,65 0,560 0,090
0,25 4,82 2,24 1,93 1,65 0,555 0,090
0,50 3,96 2,29 1,93 1,63 0,540 0,088
0,75 7,74 2,28 1,89 1,57 0,515 0,085
0,80 * 2,27 ’ —- •
0,90 — 2,22 *— — —
1,00 8,28 2,11 1,74 1,45 0,480 0,082
1,50 3,40 1,38 1,09 1,02 0,385 0,072
2,00 1,20 0,74 0,67 0,61 0,285 0,068 I
3,00 0,28 0,24 0,23 0,22 0,145 0,050
Для удобства вычислений радиус кругового испарителя при-
нят за единицу. Мы видим по таблице, что для р = 1 пленка
оказывается почти одинаковой толщины по всем направлениям
от центра до а = 1. Это условие было соблюдено при алюмини-
ровании больших зеркал в резервуаре, диаметр которого
равен 1 м(рис. 12), с испарителем, состоявшим из двенадцати стан-
дартных спиралей, расположенных по окружности диаметром
почти в 90 см на расстоянии 45 см от поверхности астрономи-
ческого рефлектора, на который наносился слой (рис. 19, слева).
Испытание прозрачности пленки, полученной при частичной
нагрузке спиралей, подтвердило произведенный подсчет, так как
пленка действительно обнаружила ожидаемую однородность.
181
В большом резервуаре диаметром больше 2700 мм уже
не’’удалось успешно применить аналогичный агрегат из спиралей,
расположенных на расстоянии 1250 мм от поверхности зеркала.
Рис. 19. Расположение испарителей над большой поверхностью.
1 — 12 спиралек; 2 — 24 спиральки; 3—12 спиралек; 4 — 4 спиральки.
Вместо этого пришлось построить три отдельных сложных
испарителя, расположив каждый на расстоянии 500 мм от зеркала.
Рис. 20. Получение параболической поверхности.
1 — параболоид; 2 — сфера; 3 — фокус параболоида.
Установка их изображена на рис. 19, справа. Согласно формуле,
приведенной ранее, получившей подтверждение при произведен-
ных испытаниях, было найдено, что четыре спирали в центре,
182
двенадцать спирален, расположенные по окружности диаметром,
в 1250 мм, и двадцать четыре спирали, расположенные по окруж-
ности диаметром в 2500 мм, обеспечили необходимую равно-
мерность покрытия. Эта установка дает на 100-дюймовом зеркале
однородную пленку желаемой толщины, чуть-чуть толще пленки,
ставшей уже непроницаемой для солнечного света. Желательно
всегда получать такую толщину (около 1000 А), так как более
толстые пленки легко сдираются, в то время как более тонкие
со временем становятся прозрачными, вследствие постепенного
роста толщины слоя окисла, образующегося на алюминиевом
покрытии.
Параболизация сферического зеркала с помощью алюмини-
рования. Коль скоро техника получ
разработана, оказалось возможным
наносить пленку переменной тол-
щины, которая распределяется на
поверхности зеркала с таким расче-
том, чтобы придать ему парабо-
лическую форму. Расстояние т меж-
ду поверхностью сферы и парабо-
лоида, изображенного на рис. 20,
может быть с весьма значитель-
ным приближением представлено
следующим выражением:
8^. (6)
где у—ордината, R— радиус кри-
визны сферы, a Jo—представляет
собой ординату пересечения обеих
кривых. Это расстояние будет рав-
но нулю при у=0 и где у =_у0; оно
имеет максимальное значение там,
однородных пленок оыла
Рис. 2J. Прибор для параболиза-
ции зеркал.
1 — коммутатор; 2— шарикоподшипники;
t, электромагнит для вращения оправы
зеркала; 4—якорь из мягкого железа; 5 —
сферическое зеркало, подлежащее пара-
болизации; 6 — латунная плита для креп-
ления зеркала; 7 — фигурная диафрагма,
регулирующая толщину покрытия; 8 —
испарители (спирали); 9 — окошко; 10 —
барьер для распыляемого металла; 11 —
электроды; 12 — к вакуумной установке.
где j =
V2
Если сферическое зеркало диа-
метром 2j0 (представленное на рис.
20 в виде поверхности, образован-
ной вращением окружности около
оси X) надо превратить в парабо-
лоид, образованный вращением па-
раболы вокруг той же оси Х} то, как
показывает уравнение (6), нужно нанести на поверхность сферы та-
кой слой алюминия, максимальная толщина которого должна прихо-
диться на зону, соответствующую ординате у — и которая по-
183
степенно спадает в обе стороны от этой зоны, как того требует
уравнение. Максимальная толщина слоя алюминия ттах зависит
соответственно от радиуса кривизны сферы R. Зависимость
между -tra8X, R и j'o дается уравнением:
-max — 32 (7)
или, в зависимости от значения /, может быть представлена в форме:
Ттах = 2048 f * (8)
удастся получать пленки из алюминия
в 1 (л и толще, то легко можно бу-
дет параболизовать 12-дюймовое зер-
кало с относительным отверстием
/76; для этого максимальная тол-
щина слоя алюминия должна составить
всего лишь 0,34 р. Это является до-
вольно обычным примером, часто встре-
чающимся при изготовлении астроно-
мических зеркал.
Для правильного применения ме-
тода нанесения таких параболизи-
рующих пленок нужно предварительно
рассчитать толщину и распределение
алюминиевой пленки, полученной с
помощью точечного испарителя, поме-
щенного против центра зеркала, как
это показано на рис. 21. Это можно сделать, пользуясь указанной
выше формулой для расчета толщины т слоя алюминия, на расстоя-
нии у от центра зеркала:
ту
Т= 347F*
(9)
Здесь т —вся масса испаренного алюминия в граммах и d — расстоя-
ние от источника до точки на поверхности зеркала.
Далее, из тонкой листовой латуни следует вырезать диафрагму,
имеющую вид, изображенный на рис. 22, которую помещают перед
зеркалом, как это изображено на рис. 21. Эту диафрагму можно
вращать или, что иногда бывает удобнее, ее можно установить
неподвижно, а вращать над ней зеркало, как это показано на рис. 21.
Диафрагма вырезана так, чтобы толщина пленки на разных зонах
зеркала удовлетворяла уравнению (6). Для этого диафрагма должна
иметь нулевое угловое отверстие в центре и на краю, а максимальное
отверстие близко к ординате .у
— . Необходимо помнить, что
действие диафрагмы в каждой зоне сводится к тому, чтобы
уменьшать толщину пленки на некоторый коэфициент, предста-
184
вляющий собой отношение разности между 360е и угловым отвер-
стием диафрагмы, расположенным над той зоной, о которой идет
речь, к 360°. Для исключения астигматизма зеркало должно
сделать очень большое число оборотов в течение всего времени
испарения.
По причинам, еще полностью не выясненным, необходимо испа-
рять несколько больше алюминия, чем то количество, которое тре-
бует простая теория, изложенная выше.
Для оценки этой поправки лучше всего
нанести некоторое количество метал-
ла (например, количество, найденное
теоретически) и затем испытать зерка-
ло. Потом на основании исследований
зеркала методом Фуко следует еще
испарить некоторое количество ме-
талла, пока не будет получена требу-
емая форма зеркала.
Если будет добавлено слишком
много металла, то все покрытие можно
смыть с помощью едкого натра и по-
вторить алюминирование. Обычно па-
раболизацию зеркала удается закон-
чить уже после второй пробы. Если
одновременно нужно параболизо-
вать несколько одинаковых зеркал, это испытание можно сделать
один раз для всей партии.
рического зеркала из центра
кривизны.
Рис. 24. Вид зеркала из сред-
него фокуса.
Рис. 25. Сфера после парабо-
лизации.
Рис. 23, 24 и 25 дают фонограммы зеркала, параболизованного
описанным способом. Обычно зеркало представляет собой сферу,
изготовленную с точностью до 1/20 длины волны зеленой линии,
как это показывает первая фонограмма, снятая из центра кривиз-
ны. Сфера, изображенная на рис. 23, имела радиус кривизны 3806 мм.
185-
Величина 2у0 для нее равнялось 309 мм. Следующая фонограмма
(рис. 24) представляет ту же сферу, снятую из среднего ее
фокусного расстояния при испытании в параллельном пучке при
помощи пробной плоскости. После того как сфера была парабо-
лизована при помощи покрытия из алюминия, она приобрела вид,
представленный на третьей фонограмме (рис. 25). Она теперь
представляет правильную поверхность вращения параболы с точ-
ностью порядка 1120 доли световой волны зеленого света.
Зеркала, обладающие недостаточно правильной формой, могут
быть исправлены этим способом. В таких случаях диафрагму
надо рассчитывать на основании предварительных количествен-
ных измерений формы зеркала, выполненных с помощью уста-
новки по методу лезвия ножа (глава II, стр. 79). На выпуклую
сферическую поверхность возможно также наносить тонкий слой
алюминия для превращения ее в гиперболоид, чтобы его можно
было применять в качестве второго зеркала в телескопе Кассегрена.
Формула, выражающая расстояние между точками гиперболы
или другого конического сечения с эксцентриситетом г и окруж-
ностью, касательной к ней в центре и пересекающейся с ней
на ординате у0, может быть приближенно представлена в виде:
___е2У2( Jo2—/)
'__8 Я3
Уравнение (6) для параболы получается из уравнения (10), когда
s = l. Для получения гиперболоида необходимо иметь толстый
слой алюминия в центральной зоне и на краях и слой минималь-
Л
/2
ной
толщины в зоне у =
. Вид диафрагмы, необходимой для
получения такого слоя, будет как раз обратный диафрагме, пред-
ставленной на рис. 22, т. е. будет всего шире там, где эта диа-
фрагма является наиболее узкой, и наоборот. Остальные детали
установки описаны в статье Стронга и Гавиола и в статье
Гавиола о количественных испытаниях зеркал методом „лезвия
ножа* (Л. IV, 29, 15).
Полупрозрачные алюминиевые пленки. Полупрозрачные
пленки из серебра и алюминия применяют во многих оптических
приборах для разделения пучка света, например в фотокамерах
для трехцветной печати и в интерферометрах. На рис. 26 и
27 представлены особые характеристики отражения и пропуска-
ния пленок из серебра и алюминия, полученные при испарении
различных количеств металла. Эти кривые дают характеристику
цвета пленок и его насыщенности и приблизительно указывают,
какое количество металла нужно испарить, чтобы получить опре-
деленное отношение между коэфициентами отражения и пропу-
скания. Кривые для серебра относятся к свежим пленкам, в то
время как кривые для алюминия относятся к пленкам возраста
около 6 месяцев, у которых уже более или менее достигнуто
устойчивое состояние оптических постоянных.
186
Воспроизводимость, с которой пленки можно изготовлять,
пользуясь указаниями, приведенными на рис. 26 и 27, к сожалению
не очень велика. Следует ожидать значительных отклонений
в случае алюминия.1
Пленки, с помощью которых были получень} кривые рис. 26
Миллиграммы серебра. осажденного на решении 27см
Рис. 26. -Прозрачность и отражение полупрозрачных серебряных слоев.
1 — отражение; 2 — пропускание; 3 — интенсивность.
Мцдлигр&мш алюминий отЗяиюго ъа расстоянии 33 см
Рис. 27. Прозрачность и отражение полупрозрачных алюминиевых слоев.
1 — отражение; 2 — пропускание.
1 Р. М. Фридлянд изучила простой способ изготовления полупрозрачных пле-
нок из алюминия любой заданной плотности путем постепенного окисления
плотного непрозрачного алюминиевого слоя, полученного испарением на стекле,
в электролитной ванне на аноде. Меняя разность потенциалов на ванне и время
окисления, можно с большой степенью точности и воспроизводимости получить
заданную оптическую плотность пленки (см. ее диссертацию). Инж. В. Н. Рож-
дественский в ГОИ разработал установку с фотоэлементом, которая автома-
тически отмечает момент, когда конденсирующийся слой алюминия достигнет
заданной плотности. Прим. ред.
187
и 27, испарялись в вакууме от 1.10-5 до 5.10~5 мм; расстояние до
зеркала равнялось 33 см в случае алюминия и 27 см в случае
серебра. Для серебра применялся испаритель, подобный изобра-
женному на рис. 16, слева. Металл брали в виде проволоки диамет-
ром 1 мм. Прямая вольфрамовая, горизонтально натянутая, того же
диаметра проволока служила испарителем для алюминия, как это
изображено на рис. 28, а алюминий применяли в виде кусочка
U-об разной формы, подвешенного посредине вольфрамовой про-
Рис. 28. Испаритель, дав-
ший результаты, изображен-
ные на двух предыдущих
диаграммах.
1—вольфрамовая провело1 ка 00,8
мм; 2 — алюминиевый гусарик;
3 — толстые медные проволоки
для крепления.
волоки.
Серебряные пленки обладают большим коэфициентом отраже-
ния и меньшим поглощением, чем алюминиевые, и потому более
пригодны для покрытия пластинок интерферометра Фарби и
Перо. Их можно защищать от действия активных газов, имею-
щихся в атмосфере, тонкими слоями фтористого кальция и кварца
(лучше фтористого бария. Прим. ред.).
Пленки фтористого кальция (или кварца) должны иметь тол-
щину не более 74 полосы. Если около испарителя поместить
блестящую медную пластинку, то легко
сосчитать интерференционные полосы
по мере появления их на этой пла-
стинке при испарении фтористого
кальция (или кварца). Корень квад-
ратный из отношения расстояния до
поверхности меди к расстоянию до
поверхности серебра дает отношение
толщин пленок фтористого кальция
(или кварца), осажденного на этих
поверхностях. Испарение фтористого
кальция (или кварца) прекращается
после того, как появится на меди
необходимое число полос.
Тончайшая пленка алюминия, нанесенная на серебро, тоже
может быть превращена в защитную пленку из окиси алюминия
при соприкосновении с воздухом. Количество алюминия, которое
нужно испарить для этой цели, составляет около одной шестнад-
цатой доли всего количества, необходимого для получения про-
зрачного покрытия. Следовательно, нужное количество алюми-
ния можно дозировать с помощью пробной стеклянной пластинки,
помещенной на четвертой части того расстояния от испарителя,
на котором он находится от защищаемой серебряной пленки.
Можно считать, что испарилось как раз необходимое количество
алюминия, когда на пробной стеклянной пластинке появится полу-
прозрачная пленка алюминия.
В последнее время разработаны несложные объективные кон-
трольные приборы с фотоэлементами, позволяющие непрерывно
следить за процессом образования металлических пленок, при
испарении которых возможно весьма точно дозировать толщину
пленки и останавливать ее осаждение в надлежащий момент.
188
Если полупрозрачное серебряное зеркало, полученное на
поверхности стекла, наклеить с помощью канадского бальзама
на второе стекло, то отношение проходящего света к отражен-
ному увеличивается примерно на 5%.
Просветление оптики
Бичом всех многолинзовых оптических приборов является
-гак называемое френелевское отражение, наблюдаемое при ка-
ждом переходе световой волны из одной среды в другую. Коли-
чество отраженного света при нормальном падении зависит от
коэфициента отражения К=и для границы между стеклом
и воздухом получается примерно около 4°/0 от всего падающего
света. При наклонном падении коэфициент отражения оказывается
большим, возрастая с углом падения сначала медленно, а потом
все быстрее. Он достигает 1ОО°/о при углах, близких к 90%. Оче-
видно, что при наличии нескольких линз количество света, про-
ходящего сквозь оптическую систему и дающего изображение
предмета, значительно уменьшается с числом линз и в самом
грубом приближении может быть выражено формулой:
/п = /с0,962я.
Здесь 70 — количество падающего света, 1п— количество света,
образующего изображение, а п — число линз или призм, сквозь
которые свет проходит.
Свет, отраженный от различных поверхностей, создает допол-
нительное рассеянное подсвечивание — фон, который уменьшает
контрастность изображения.
В последнее время найден способ уменьшать, до известной
степени, вредное влияние френелевского отражения. Для этой
цели поверхность стекла покрывают тонким слоем вещества, по-
казатель преломления которого равен среднему квадратичному
из показателей преломления воздуха и стекла (лср == К Тогда,
при переходе из одной среды в другую, свет будет дважды испы-
тывать френелевское отражение: при входе из воздуха в слой
и при переходе из слоя в стекло. При этом интенсивность отра-
женного света и в том и в другом случае будет одинакова, а
отраженные световые волны между собой будут когерентны. Если
толщина слоя будет равна ‘/4 от длины световой волны, то при
нормальном падении обе отраженные волны будут интерфери-
ровать, и количество отраженной световой энергии обратится
в нуль.
Очевидно, что это условие будет соблюдаться только
для одной определенной длины волны и для одного определен-
ного угла падения на преломляющую поверхность. Мало того,
должны быть такие длины волн, при которых энергия отра-
189
женного света при наличии переходного слоя должна будет
удвоиться.
Однако длина видимого участка спектра так мала, что
если слой подобран на минимум отражения для средней зеленой
части, то отражение и крайних его участков будет значительно
ослаблено, а максимальное отражение будет лежать в ультрафио-
летовой области.
Это позволяет снизить общий коэфициент отражения для
видимого света в несколько раз (5—10).
Подбор вещества для переходного слоя является весьма труд-
ной задачей, и если для тяжелых сортов стекла (флинты) !можно
указать несколько веществ с показателем преломления, прибли-
жающимся к требованиям, указанным выше, то для легких кро-
нов и кварца это принципиально невозможно, так как не суще-
ствует веществ, обладающих достаточно малыми показателями
преломления. Тем не менее, даже и при значительных отступле-
ниях переходного слоя от требований теории, при его наличии,
как показывают расчеты и экспериментальные данные, удается
значительно снижать отражение и, следовательно, достигать су-
щественного „просветления оптики14.
С оптической точки зрения наилучшие результаты получаются
с переходными слоями из органических веществ, но они очень
нежны и недостаточно стойки. Что касается твердых хими-
чески стойких минеральных покрытий, то выбор их до сих пор
ограничивается лишь кварцем, фтористым барием 1,45) и фто-
ристым кальцием (п = 1,42). Кварц и фтористый барий дают слои
большой механической прочности, которые не портятся при про-
тирании. Фтористый кальций, напротив, легко стирается со стекла,
и потому его можно применять только для поверхностей, распо-
ложенных внутри прибора и хорошо защищенных; это тем более
досадно, что он дает наилучший эффект почти со всеми сортами
стекла.
Для снижения показателя преломления переходного слоя
иногда применяют искусственное его разрыхление путем присадки
к фтористому барию и кварцу других более легких веществ
(например, фтористого кальция или фтористого лития), однако
это требует значительного искусства и опыта.
Простейший способ получения переходного слоя из кварца
предложен академиком И. В. Гребенщиковым и состоит в простом
протравливании готовой отполированной уже поверхности стекла
в теплой слабой кислоте, которая растворяет основания, содер-
жащиеся в стекле, на некоторую глубину в его толще и оставляет
легкий кварцевый скелет (из кристобалита) на поверхности. Все
дело сводится к подбору глубины протравливания, от которой
зависит длина волны, претерпевающей максимальное отражение,
и от количества окиси кремния в стекле, от которой зависит
плотность и показатель преломления переходного слоя. Полу-
190
чение наилучших из принципиально возможных результатов
просветления достигается только опытом и обусловливается сор-
том стекла, требующим специальных условий технологии трав-
ления. Это — химический метод просветления.
Более эффективным и надежным является физический метод,
который состоит в нанесении на поверхность стекла переходного
слоя путем испарения соответствующего вещества в хорошем
вакууме и конденсации его на отполированной поверхности. Ме-
тодика эта очень близка к способам покрытия зеркальных по-
верхностей алюминием (см. выше), при чем для просветления ока-
зывается вполне пригодна вся та аппаратура, которую применяют
при алюминировании. Испаряемое вещество (шихту) нагревают
электрическим током в маленьком тигельке, помещенном под обра-
батываемой поверхностью, и конденсируют на последней. Необхо-
димо только заботиться о тщательной очистке как самой поверх-
ности, так и в особенности тигелька и подогревательных прово-
лочек. Загрязнения, как вещества более летучие, начинают испа-
ряться раньше, и под переходным слоем образуется подслойка
неизвестного состава и часто мало прозрачная. Полезно сначала
закрыть оптическую поверхность ширмой, на которую и осядет
вся грязь, а когда начнет испаряться уже чистое вещество, от-
вести эту ширму в сторону с помощью магнита на тот проме-
жуток времени, который необходим для образования слоя точно
требуемой толщины. Очевидно путем подбора диафрагм, особенно
вращающихся (см. выше), и расположения деталей можно добиться
получения слоев разной толщины на различных участках поверх-
ности в соответствии с теми углами, под которыми на них будет
падать свет в приборе.
Необходимо особенно подчеркнуть, что метод нанесения пу-
тем испарения в вакууме тонких прозрачных слоев пригоден не
только для просветления, но и, что не менее важно, для тонкой
ретуши отполированной поверхности и придания ей асфериче-
ской формы, подобно тому, как в процессе алюминирования до-
стигается исправление поверхности зеркал и их параболизация.
В руках искусного мастера эта методика сулит громадные
возможности в направлении повышения качества оптических
приборов.1
1 См. сборник „ Просветление оптики” под общей редакцией академика И. В. Г ре-
бенщикова. Гостехтеоретиздат, Москва, 1946 г.
ГЛАВА V
ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАВЛЕНОГО КВАРЦА
Общие замечания о плавленом кварце
Плавленый кварц, из которого раньше изготовляли только
стержни или трубки, в настоящее время часто применяют как
заменитель стекла при изготовлении химической посуды: проби-
рок, колб, чашек, пластинок и т. д. Аппараты из плавленого
кварца обладают двумя существенными преимуществами по срав-
нению со стеклянными: низкий коэфициент термического расши-
рения исключает всякую опасность растрескивания под влиянием
резких изменений температуры. Горячий предмет из плавленого
кварца, будучи опущен в холодную воду, не испытывает ника-
ких вредных воздействий.
Относительно высокая температура размягчения плавленого
кварца делает возможным изучение в кварцевой посуде таких
реакций, которые трудно проводить, применяя только стеклян-
ную аппаратуру.
Как будет отмечено в дальнейшем, многие из свойств кварца
делают применение его чрезвычайно желательным для изготовле-
ния различного рода инструментов, где основным требованием
является неизменяемость. Особенно же ценной является исклю-
чительно малая потеря энергии в результате внутреннего трения
при приложении внешних усилий. Потеря им энергии при
этом составляет менее 10-3 от потери энергии в лучших
металлах. Не менее ценным свойством является постоянство
длины. Плавленый кварц не только обладает весьма малым коэфи-
циентом термического расширения, но точно возвращается
к своей первоначальной длине после чередующихся нагревания
и охлаждения. . -
Главный недостаток плавленого кварца — его большая стои-
мость, вызванная его высокой точкой размягчения и необходи-
мостью вследствие этого применять особые^методы обработки.
Высокая точка плавления делает нерациональной заготовку и
обработку в лабораторных условиях трубок диаметром больше 25—
30 мм. При обработке крупных кусков кварца необходимо при-
менять водородно-кислородное пламя, небольшие же кусочки
можно легко обработать, применяя обычную газово-кислородную
192
горелку» Даже обычная бунзеновская горелка, работающая на
естественном газе, дает вполне достаточное пламя для размяг-
чения небольших кусочков кварца.
Весьма полезное свойство, открытое Бойсом (Л. V, 1) в 1889 г.,
которое ниже мы рассмотрим подробнее, состоит в том, что
плавленый кварц может бьпь вытянут в тонкие нити, облачаю-
щие чрезвычайной крепостью. Можно легко и очень быстро
получать нити любого диаметра (до 1 у. в диаметре и даже
меньше). Никакой другой стекловидный материал не обладает
таким качеством.
Химические свойства
Плавленый кварц при комнатной температуре оказывается
практически стойким к воздействию всех химических агентов,
за исключением плавиковой (фтористоводородной) кислоты и ще-
лочей. Однако при высоких температурах он реагирует с боль-
шинством металлических солей, образуя силикаты. Это обуслов-
ливается тем, что двуокись кремния представляет собой ангид-
рид в обычном смысле этого слова и как таковой должен
сильно реагировать при высоких температурах с окислами ме-
таллов, являющимися по своей природе основаниями. Благород-
ные металлы не образуют силикатов, и кварцевую нить, покры-
тую золотом, можно нагревать, не повреждая ее, пока золото
не улетучится.
Физические свойства
Термические особенности. Коэфициент термического рас-
ширения стержня из плавленого кварца, не находящегося под
напряжением, был измерен с большой точностью (Л. V, 7). Сред-
нее значение при различных температурах, определенное по фор-
муле а =(1/7) Д//(^2— /Д приведено в табл.1. Для сравнения ука-
жем, что тот же коэфициент для стали равен 10,1 X Ю“6 °С~1
т. е. в 25 раз больше, тогда как для инвара « примерно равно
0,9X10 °С~1. Коэфициент термического расширения еще не изме-
рен для нитей различных размеров и при разных величинах
напряжения.
Коэфициент термического гистерезиса плавленого кварца
меньше, чем у любого другого из известных материалов. Если
кусок вещества длиною / нагреть с температуры tx до темпе-
ратуры Л и дать ему охладиться до температуры то
(1//)Д//(4-<), где Д/ остаточная разница длины, является мерою
термического гистерезиса. Для кварца величина эта оказалась
от 10 до — 5х 10 т. е. он сжимается при охлаждении
больше, чем расширяется при нагревании. Для сравнения ука-
жем, что тот же коэфициент у инвара — 100X10 -9ос~1. Это свой-
18 CifCH! igj
сгво делает плавленый кварц особенно ценным, когда надо точно
охранить размеры (Л. V, 2) деталей приборов.
Если плавленый кварц выдержать некоторое время при
температуре выше 1200 °C, то постепенно в нем развивается про-
цесс кристаллизации, обычно начинающийся у поверхности и рас-
пространяющийся в глубину. При дальнейшем повышении тем-
пературы кристаллизация ускоряется, пока не будет достигнута
Таблица 1
Средние величины коэфициента термиче-
ского расширения плавленого кварца вбли-
зи комнатной температуры, определенные
по формуле а == (17) Д
температура, при которой
кристаллы плавятся. Если
действию огня подверга-
ются отдельные участки
кварца, то между участ-
ками размягченного квар-
ца и соседними более хо-
лодными участками по-
верхность становится мо-
лочного цвета, вероятно
вследствие конденсации
улетучивающегося квар-
ца,— это портит только
его внешний вид, не от-
ражаясь на качестве са-
Температура СС а ХЮ”6'С-1
— 40 до 0 0,31
0„ 30 0,42
30 „ 100 0,52
100 „ 150 0.58
мого материала.
Упругие свойства. Нормальный коэфициент упругости, или
величина, обратная модулю Юнга для кварцевого стержня при
комнатной температуре, был впервые измерен Бойсом. Коэфи-
циент этот определяется выражением:
I- 1 А!,
У Т ’
где Y—модуль Юнга, a Sn —нормальное напряжение. Бойс нашел
Y равным 5,2 X 1011 дин/см2, что очень близко сходится е ве-
личинами, определенными в самое последнее время для нитеи
сечением от 50 до 100 [J-. Модуль Юнга несколько изменяется в за-
висимости от диаметра нити, увеличиваясь при уменьшении ее
сечения. Изменение это может быть выражено формулой:
,, 27X10” , сп 1пи , з
У _. —-----и 5 9 х 10 дин см •
а '
где d — диаметр нити в микронах. Выражение это справедливо
лишь в определенных пределах, так как дает повышенные зна-
чения для нитей, диаметр которых меньше 10 (А. Эксперимен-
тальные данные о величине Y для нитей различных сечений
приведены в табл. 2. Увеличение модуля упругости при умень-
шении сечения зависит от увеличения у тонких нитей той роли,
которую начинает играть поверхностный слой, имеющий иные
коэфициенты упругости, чем внутренняя часть нити.
Ц4
Таблица 2
Сопротивление излому, модуль Юнга (У), модуль сдвига
(7) и А/7 ври разрыве для кварцевых нитей различных
сечений
Диаметр (д) Сопротивле- ние излому (ХЮ11) Y (X Ю11) Z (ХЮ11) Д/7 для разрыва
1,5 0,90
2,0 0,80
3,0 0,65 11,1 6,6 0,059
4.0 0,55 10,3 6,1 0,054
5,0 0,48 9,8 5,8 0,049
7,0 0,39 9,0 5,3 0,043
10,0 0,30 8,5 4,8 0,035
15,0 0,23 7,9 4,2 0,029
20,0 0,17 7.6 3,9 0,022
300 0,145 7,1 3,5 0.020
Это — средние величины, выраженные в системе CGS; значе-
ния для отдельных нитей могут быть на 20% больше или меньше
приведенных (Л. V, 8).
Тангенциальный коэфициент упругости или величина обратная
модулю сдвига (жесткости) для твердого стержня радиусом г и дли-
ною 7 определяется выражением:
1 __ 2.
Z “ 2/ AS, ’
где St — тангенциальное напряжение сдвига, ф — угол кручения
стержня. Для твердого стержня постоянного сечения St — (Л/г), (кг2),
где L — закручивающий момент, г — радиус, a Z имеет наименьшее
значение равное 3ХЮ11 дин. см'2, но оно, как и Y (табл. 2),
зависит от сечения нити.
Полезно знать также и две другие константы упругости.
Первая указывает, насколько нить может быть вытянута до раз-
рыва. Это удлинение при разрыве:
(£) = О» к ,
' ' ' при разрыве Y
где (8п— напряжение, необходимое для разрыва (временное
сопротивление). Значения ~ при разрыве приведены в табл. 2.
Они относятся только к свеже приготовленным, чистым нитям,
или же к нитям, которые сохранились совершенно сухими и чи-
стыми (ниже будет указано, как надо сохранять нити). Насколько
известно, ни один другой материал не обладает временным сопро-
тивлением. хотя бы приближающимся по своей величине к значению
13*
195
его у кварца. Для лучших никель-ванадиевых сталей он
около 0,01. Сравнение же значения модуля Юнга у разных мате-
риалов показывает, что кварцевые нити выгодно выделяются
и при этом сопоставлении со всеми другими известными наиболее
крепкими материалами.
Вторая константа показывает, насколько можно закручивать
лить до разрыва; это:
= 0,05
\ / при разрыве Z.
для нитей диаметром до 20 р, где (St)f тангенциальное напря-
жение. Это отношение увеличивается с уменьшением сечения
нити. Так, нить сечением 5 р не оборвется при закручивании по
крайней мере на 20 полных оборотов на сантиметр длины. Сле-
дует отметить, что пределы упругости как для нормального,
так и для тангенциального напряжения почти совпадают с вели-
чиной напряжений на разрыв.
Следует отметить еще одно свойство кварца, повышающее
его ценность для изготовления подвесов для электрометров,
гальванометров и др., — это ничтожное значение коэфициента
внутреннего трения. Если нить закручивается под углом ф, то
сопротивление сдвигу (срезывающее усилие) не является соб-
ственно константой, а зависит от времени, так что:
с — zlLj-7! d
21 '2 di\ I /'
Коэфициент nj служит мерою внутреннего трения, или вязкости.
Для сравнения в табл. 3 приведены некоторые численные значе-
ния (Л. V, 5, 6) этого коэфициента.
Если к нижнему
концу кварцевой нити
длиною I и радиусом г
подвесить груз, облада-
ющий моментом инер-
ции 7, дать ему ко-
лебаться в вакууме с
периодом колебания Т
и обозначить логариф-
мический декремент
этих колебаний X, то
коэфициент вязкости в
пуазах может быть
представлен формулой:
Таблица 3
Вязкость различных твердых тел
Материал Вязкость X 109 пуаз
Серебро 12,5
Золото 17,0
Никель • 1,65
Платина 1,75
Вольфрам 9,37
Цинк 411,0
Кварц 0,001 (прибл.)
8/Z ?
Если такой крутильный маятник имеет период в 2 секунды, то
за 24 часа он потеряет всего около 10% своей амплитуды.
196
Таким образом, коэфициент вязкости вычисленный заказан-
ным способом, должен стремиться к минимуму при уменьшении
w минимума внутренних потерь.
Термоэластичность. Как модуль Юнга, так и модуль сдвига
у плавленого кварца зависят от температуры. Каждый из них
растет при умеренном повышении температуры. Для температур-
ного коэфициента Y Бойс (Л. V, 1, 3) дает величину 1,3 X
и ту же величину и для температурного коэфициента Z.
Поэтому для очень точных работ всякий инструмент, в котором
имеется кварцевая нить, должен быть проградуирован при
нескольких различных температурах.
Твердость. Твердость плавленого кварца по десятибалльной
шкале равна 7. Таким образом, кварц оказывается тверже
стекла, а также и большинства металлов,
Поверхностное напряжение расплавленного кварца. Если
нить нагревать до полного размягчения кварца, она будет,
в зависимости от натяжения, или стягиваться и соответственно
утолщаться в месте нагрева, или же растягиваться. Поверхност-
ное напряжение мы можем определить как силу, приходящуюся
на единицу окружности нити, стремящуюся укоротить нить.
Величина эта меняется в зависимости от температуры, но при-
близительное значение ее равно 250 дин, см. Укажем для
сравнения, что поверхностное натяжение стекла бывает
140—150 дин, см.
Электрические свойства. Чистый и сухой плавленый кварц
является одним из лучших из известных изоляторов. Поэтому
крайне целесообразно применять его в таких аппаратах, как
электроскопы и электрометры, где утечка заряда должна быть
минимальной. Если кварц применять для этой цели на открытом
воздухе, то его надо покрывать тончайшим слоем церезина
(горный воск), тогда он в качестве изолятора может считаться
даже лучшим, чем янтарь. Нужно только, чтобы церезин был
получен фракционированием природного углеводорода, а не при-
готовлен из синтетических продуктов, какой обычно бывает
в продаже. При покрывании церезином надо следить, чтобы при
первом окунании температура кварца и церезина была в преде-
лах 80—100сС. Более толстые слои церезина получаются повтор-
ным погружением, причем перед каждым новым окунанием кварц
должен быть тщательно охлажден.
Абсорбция электрического заряда, так называемое всасывание
или остаточный заряд, у кварца исключительно низка: меньше
чем 10° 0 величины остаточного заряда для янтаря.
Применение кварца в виде нитей
Замечательное свойство кварца сохранять или даже повышать
свою удельную крепость при вытягивании в тонкие нити обу-
словливает чрезвычайно частое и разнообразное применение его
1ST
в точных измерительных инструментах. К сожалению, видимо,
лишь немногие ученые оценили это значение кварца и научи-
лись им пользоваться. Будучи крепче любого другого материала,
применяемого в качестве подвесов, за исключением разве воль-
фрама, кварц обладает еще тем преимуществом, что его можно легко
обработать соответственно различным индивидуальным требова-
ниям. Хотя необходима некоторая практика для приобретена i
соответственного навыка при манипулировании с ним, однако
затраченные усилия вполне окупятся, если принять во внима-
ние те результаты, которые могут быть при этом получены.
Оборудование для изготовления кварцевых нитей
и работа с ними
Опишем простую горелку, работающую на обычном светиль-
ном газе и кислороде, применяемую автором этой главы. Если
пользоваться другим сортом газа, то возможно, что, в зависи-
Рис. 1. Ручные горелки для обработки кварца.
I—горелка для употребления в микроманипуляторе. II — малая ручная горелка.
Ш —большая ручная горелка для отпаивания.
1 —наконечник 0 2,5—3,0, длиной 7 мм, с отверстием от 0,05 до 0,2 мм;
2—латунь 0 5 мм; 3—отверстие 0 1,5 мм, длиной 7 мм; 4 — шестигранная
латунь 7 — 8 мм; 5—латунные трубки внутренний 0 1,5 мм; 6 —латунная
трубка 0 6 — 7 мм; 7 — латунная ручка: 8—фибра или бакелит 0 7 —8мм.
мости от специальных условий, необходимо будет несколько
изменить изложенные технические приемы.
Горелка делается из куска латунной трубки, изогнутой как
показано на рис. 1 и имеющей на одном конце нарезку для
надевания сменных наконечников разных диаметров. Лучший
размер отверстия в наконечнике для работ с кварцем—около
2 мм. Иногда целесообразно применять наконечники другого
диаметра (от 1 до 3 мм).
Для получения спокойного пламени необхэдимой высоты
длина канала в наконечнике должна быть по крайней мере пяти-
кратной по сравнению с диаметром. Кислород и газ смеш ива-
198
ют0я отдельно от горелки. Для смешивания годится простой
тоойник, но необходимо располагать специальными приборами
для контроля давления газа и кислорода. Если последний ока-
жется под слишком большим давлением, то для лучшей ре-
гулировки необходим редуктор с игольчатым вентилем. Ком-
бинация двух игольчатых вентилей и тройника дает вполне
удовлетворительные результаты (рис. 2).
Рис. 2. Вентиль-смеситель.
1— кислород; 2— газ; 3 и 4 — из латун-
ного стержня 0 6 — 7 мм; 5 — к горел-
ке; 6—острия из нержавеющей стали.
Рис. 3. Простой суппорт для
кварцевых нитей.
1 — кварцевые усики 0 от 50 до 150р.;
2 — латупный стержень.
Применяя такую горелку, надо строго следить, чтобы при
зажигании сначала открыть газ и зажечь его, а затем уже по-
степенно впускать кислород до получения пламени необходимой
температуры. При тушении пламени сперва нужно медленно
закрыть кислород и затем уже газ. Несоблюдение этих предо-
сторожностей может привести к проскоку пламени внутрь го-
релки с громким звуком, что, впрочем, особо вредных послед-
ствий не имеет.
Описанная горелка является весьма полезным ходовым инстру-
ментом в любой лаборатории, особенно если она снабжена на-
конечниками различных диаметров. Опа идеальна как для работ
со стеклом пирекс, так и для кварца. При получении кварце-
вых нитей горелку надо зажать в штатив таким образом, чтобы
пламя было вертикальным.
Незаменима при работах с небольшими кусочками кварца
маленькая горелка, изображенная на рис. 1, во всем остального,
помимо размера, вполне идентичная большой. Она работает на
тех же газах, поступление которых контролируется отдельными
маленькими игольчатыми вентилями. Наиболее подходящей для
изготовления таких горелок является металлическая трубка —
латунная или медная — с внутренним диаметром равным 1,5 мм.
1 азы подводятся из смесителя к горелке при помощи рези-
новой трубки с внутренним диаметром 1,5—2 мм. Весьма
1S9
Существенно, чтооы газы поступали в горелку непрерывно, так
как иначе много времени будет проходить даром в ожидании
поступления к наконечнику свежей порции газовой смеси.
Наконечники должны быть сменные и иметь отверстия диа-
метром от 0,05 до 0,2 мм. Небольшая модификация конструкции,
изображенная на рисунке, позволит или установить горелку
неподвижно или манипулировать ею с помощью механического
приспособления (микроманипулятора). Из последующего станет
очевидной целесообразность применения такой маленькой го-
релки.
Для измерения поперечного сечения нитей рационально поль-
зоваться обычным микроскопом, снабженным шкалой в окуляре
Рис. 4. Сложный суппорт с микрометренным движением.
1 — обрабатываемая нить; 2 —замазка или воск; 3 — кварцевые усики;
4—стерженьки должны быть под разными углами к ручкэ; 5—стержэньки
0 1,5 — 2 мм; 6— щ’ль шириной 1,5 мм; 7 —стерженек; 8 —стальная
пружиня; 9—латунная пробка; 10 — винт; 11 — латунная гайка; 12 — ручки
0 7 — 8 мм, длиной 120 мм; 13 — пружина; 14 — масштаб.
и дающим увеличение от 300 до 1000 раз. При некотором навыке
можно судить о толщине нитей с точностью до 20—50iJ/0
по количеству рассеянного ею света, по тому, как нить изви-
вается в воздухе и т. д., очнако во многих случаях важно
точно знать диаметр и необходимо пользоваться надежным
способом определения размеров нитей.
После выдувания тонкой нити делают отметку в двух местах,
определяя при помощи узеньких ленточек положение промежу-
точной части. Рекомендуется пользоваться металлическими лен-
точками Деннисона № 251 (Dennison’s tabs).
Часто приходится работать с нитями длиною от нескольких
сантиметров до 10 или даже до 20 см. В этих случаях нить
укрепляют в специальном суппорте в форме двурогой вилки.
На рис. 3 указано, как легко это можно сделать. Конец каждой
вилки просверливают и в них вставляют усики из нитей диа-
200
етоом 50—150 р. и закрепляют их твердым воском. Основанием
ля применения кварцевых усиков является их упругость, за
счет которой нити предоставляется некоторая свобода движения,
так как кварцевый усик может сгибаться в зависимости от того,
как будет вытягиваться нить. Жесткая опора дает значительно
больнее количество поломанных нитей, чем упругая. Прикре-
Рис. 5. Нагреватель с накаленной проволокой.
1 —длина около 150 мм; 2 — около 50 мм; 3 — деревянная ручка;
4 — латунная проволока 0 2 мм; 5 — хромелевая проволока 0 0,5 до 0,1мм;
6— к трансформатору.
пляется нить к кварцевому усику посредством кусочка твердого
воска (или клеем).
В тех случаях, когда одна нить спаивается с другой, каждая
из ни< будет стягиваться капиллярными силами, и кварц будет
скапливаться в месте соединения. Поэтому необходимо иметь
две вилки, каждую с подвижными ножками.
Рис. 6. Платиновый зонд для определения электропроводности.
1—ручка из бакелита; 2 — к гальванометру и источнику тока малого
напряжения; 3—латунь; 4 — платина; 5 — металлический колпачок.
Вилка, изображенная на рис. 4, оказалась вполне удовлетво-
рительной. Если можно ручки закреплять под различными
углами, то легко оперировать вместе обеими вилками.
Накаленная проволока, укрепленная как показано на рис. 5,
также находит применение в лабораторной практике. Она особенно
пригодна для расплавления небольших кусочков воска. Сама
проволока с большим удельным сопротивлением может быть
из следующих металлов или сплавов: платина, нейзильбер, ни-
хром, хромель и т. д. Она должна иметь калибр 24—26 В и
S (0,5—0,1 мм). Небольшой игрушечный трансформатор с пере-
менным напряжением на выходе от 1 до 6 вольт вполне пригоден
для поддержания высокой температуры. Весьма целесообразно
применить ножной выключатель, поскольку обе руки заняты.
Для испытания на проводимость нитей с металлическим по-
крытием весьма рационально пользоваться зондом с тонким кон-
чиком из платиновой проволоки (рис. 6). Для такого испытания
201
не рекомендуется прибегать к высокому вольтажу, так как
появляющаяся при этом искра сжигает на нити металл вокруг
места контакта.
Один — два вольта, подведенные к нити через сопротивление
в 100000 — 200000 ом, и нульцейгер относительно малой чувстви-
тельности вполне достаточны для таких измерений.
Как для временного, так и для постоянного скрепления квар-
цевых нитей необходимо пользоваться воском или замазками.
Можно рекомендовать твердую красную замазку Деннисона,
замазку Котинского или даже светлый шеллак. Если замазка
Рис. 7. Инструменты для работы с кварцевыми нитями.
1—латунный стержень 0 4—5мм; 2—•кварцевая ишь 0 100 р., вма-
занная замазкой в отверстие; 3—игла стальная тонкая; 4 — пинцет
открыт; 5—пинцет заперт; 6—запор пинцета; 7 — пинцет сточ-
ными (волосными) губками; 8 — точный пинцет с запором; 9 — нож-
ницы для маникюра. Край одной половины следует отполировать,
чтобы нить не прилипала.
должна закрепить две или несколько нитей, чтобы на них можно
было испарением или катодным распылением нанести тончайший
слой металла, следует пользоваться двумя последними из упомя-
нутых веществ, нагревая их до наступления полимеризации, чтобы
в результате вещество перестало плавиться или плавилось с тру-
дом. В противном случае теплота, выделяющаяся в процессе
нанесения металла, может вызвать размягчение замазки и сме-
щение нитей.
Когда необходимо постоянное прикрепление нити и длитель-
ное сохранение свойств, следует применять такую замазку, кото-
рая при нагревании полностью испаряется и ни в какой степени
не действует на кварц. Ни одна из имеющихся в продаже зама-
зок не отвечает этому требованию. Указанными свойствами
обладает лишь одно органическое вещество — дифенилкарбази ь
Он продается в виде порошка и должен быть химически чистым-
в частности свободным от неорганических примесей.
Чтобы работать с очень маленькими кусочками замазки, под-
хватывать кварцевые нити, загибать их и т. д., очень полезным
оказывается усик из кварца диаметром в 100 длиной около
202
20—30 мм, заделанный в отверстие в торце металлической
палочки (рис- ')• Для РяДа манипуляций целесообразно пользо-
ваться иглой, укрепленной в торце металлической палочки. Реко-
мендуется иметь всегда под рукой несколько таких державок
с кварцевыми усиками и иголками.
При работе с небольшими предметами нужны пинцеты раз-
личных размеров. Такие пинцеты можно приобрести у ювелиров
или же в магазинах лабораторного оборудования. ’Для очень
тонких работ можно рекомендовать так называемые пинцеты
для волосков малого размера, применяемые часовщиками. Для
обрезания нитей пригодны маленькие нож-
ницы, например хорошего качества нож-
ницы для маникюра или хирургические, ко-
торыми пользуются при тонких биологиче-
ских работах. Одно лезвие ножниц должно
иметь выемку, препятствующую соскакива-
нию более крупных нитей. Если ножницы за-
крепить и привести в действие с помощью
механического манипулятора, то no i ми-
кроскопом тонкие нити (до 40 у) могут быть
сразу нарезаны на кусочки величиной до
0,01 мм.
Для многих работ с нитями необходимо
весьма точно фиксировать положение нити.
Небольшие штативы, устанавливаемые на
трех уравнительных винтах с передвижными
зажимами, подобные штативу, изображен-
ному на рис. 8, могут служить для за-
жимания вилочек, игл и т. и., применяемых
в процессе монтирования нитей. Весьма трудно держать нить
рукой неподвижно, и во всех случаях, когда только это возможно,
лучше пользоваться соответствующими механическими штати-
вами, обеспечивающими плавные перемещения (манипуляторы).
Даже очень тонкие нити (1 р и меньше) можно легко видеть
на черном фоне за счет рассеиваемого ими света. Лучше всего
пользоваться черным бархатом. Если надо измерить диаметр
нити под микроскопом, необходим светлый фон; рассеянный свет
на черном фоне дает неправильное представление о размерах,
поскольку нельзя различить истинные контуры предмета.
Для нанесения на кварц проводящей металлической пленки
можно пользоваться по желанию несколькими методами. Наибо-
лее простой из них и вполне удовлетворительный для нитей
диаметром до 20 р состоит в восстановлении металла из нане-
сенной па кварц металлической краски для фарфора путем
обжига нити. Большинство благородных металлов, например
платина, золото, иридий и т. д., можно наносить на кварц этим
способом. Обычно такую краску приготовляют, растворяя какую-
нибудь соль металла в органической жидкости. Так поступают
Где. к Штатив для креп-
ления инструмента.
1 — деталь; 2 — латунная руч -
ка; 3 — установочный винт
(необходим хотя бы один).
203
китайские художники, раскрашивая свои тарелки и обжигая их
затем при 700°. Органический растворитель улетучивается, а ме-
таллическое соединение разлагается, оставляя равномерный слой
Рис. 9. Детали установки для металлизирования
нитей.
1 — вращающийся столик, пово; ачиваемый во время испарения
при помощи передвижения сильного магнита около стенки
колпака; 2 — латунная вертушка; 3—стальное острие; 4— спи-
раль для покрытия нити сверху; 5 — вольфрамовые спирали, по-
крытые испаряемым металлом; 6 — спираль для покрытия нети
снизу; 7 — нить на суппорте; 8—постоянный магнит
металла. Толщину пленки можно менять от 0,05 до 0,15 у,
в зависимости от толщины слоя и густоты краски. Этим спосо-
бом легко получить очень прочные электропроводные покрытия
на фарфоре, стекле, кварце и пр. Накаленная проволока, поме-
ioi
щенная под маленькие кусочки толстых кварцевых нитей, по-
крытых таким раствором, обеспечивает их обжиг в течение не-
скольких минут. Если же таким образом обрабатывать очень
тонкие нити, то можно заметить, что раствор собирается в ка-
рие. 10. Микро манипулятор.
а) — общий вид: 1—трубчатый зажим для инструментов; 2—
стальная раздвижная трубочка 06 мм; 3 — стальная раздвижная
трубочка 0 8 мм; 4— микром етренные винты; 5 — подъемное
приспособление с муфтой на винте; 6 — свинцовое тяжелое
основание.
б)— устройство подъемного приспособления: 7 — пружина;
8 — трехгрзнные направляющие; 9—бороздка для пружины:
10 — подъемный винт с мелкой резьбой.
нельки вдоль нити, и при обжиге ее покрытие получается пре-
рывистым.
Покрытие металлом посредством испарения или катодного
распыления является наиболее удовлетворительным. Эти способы
205
обладают тем преимуществом, что электропроводящие слои могут
быть получены любой толщины на нитях любого диаметра.
Чаще всего бывает необходимо, чтобы металлический слой покры-
вал поверхность со всех сторон. Из этих двух методов наиболее
легким и простым является метод испарения (см. главу IV).
Аппаратура, необходимая для него, изображена на рис. 9.
Горячая обработка кварца (выше 2000°) связана с ярким нака-
лом, который не только опасен для глаз сам по себе, но, будучи
Рис. 11. Комплект приборов для работы с кварцевыми нитями.
1—колпак для хранения нитей; 2—микромянинуляторы; 3—место ра-
боты; 4— бинокулярный микроскоп; 5 — для него подвижный штатив; 6—ми-
кроманипулятор с тонкой резиновой трубочкой, прикрепленной к его ры-
чагам, подводящей газ к мнкрогорелк''; 7—регулирующий вентиль: 8 —
провод к педальному выключателю для паяльника с накаленной проволо-
кой: 9 стол, покрытый черным стеклом или простым стеклом на Черном
бархате.
богат ультрафиолетовыми лучами, при длительном воздействии
на глаза может привести к слепоте. Поэтому при горячей обра-
ботке кварца необходимо пользоваться специальными защитными
очками с дымчатыми стеклами, пропускающими только 20—10%
света.
Автор уже много лет применяет для работы с кварцевыми
нитями комплект из трех микроманипуляторов. Каждый из них
имеет трех шарнирный рычажок, что дает полную свободу уста-
новки нити в любом положении. Для более точных установок
они были снабжены микрометрическим винтом с разделенными
головками, которые осуществляют малые перемещения в трех
208
взаимно перпендикулярных направлениях. На рис. 10 предста-
влен один из этих трех манипуляторов со всеми деталями.
Многие простые работы с нитью можно выполнять, пользуясь
невооруженным глазом или только лупой, но для тонких работ
и в тех случаях, когда важна точность и удобство манипули-
рования, следует особенно рекомендовать применение бинокуляр-
ного микроскопа с увеличением в 15—20 раз. Такой микроскоп
при правильном пользовании им не только дает стереоскопи-
ческое изображение, но вызывает лишь очень малое напряжение
зрения и почти совсем не утомляет глаз. Шкала в окуляре
позволяет при работе производить и некоторые измерения.
Желательно, чтобы свет падал с разных сторон и тавал хорошее
освещение предмета во всех положениях.
Полная установка и большая часть вспомогательных инстру-
ментов, применяемых автором при его работах с кварцевой нитью,
изображены на рис. 11. Черное стекло, положенное на стол,
дает черный фон и позволяет легко видеть нить благодаря
рассеиваемому ею свету. Если надо увидеть контуры толстых
нитей, на стол следует положить кусок белой бумаги, которая
и будет служить фоном.
Вытягивание нитей
Самый подходящий диаметр кварцевого стерженька, из
которого удобно вытягивать нити, оказывается 3—4 мм. Более
тонкие стержни легко ломаются, кроме того, их трудно держать
в руках. Более толстые стержни труднее довести до состояния
размягчения.
Для изготовления тончайшей нити сначала рекомендуется
изготовить нить более толстую, диаметром 50—100 р (рис. 12)..
С этой целью в руки берут две палочки кварца подходя-
щей длины, вводят их в кислородно-газовое пламя, уста-
новленное на максимальный нагрев путем увеличения под-
вода как газа, так и кислорода, пока не получится „свистя-
щее" пламя в форме узкого конуса как раз над отверстием
наконечника горелки. Пламя это должно быть настолько коротень-
кое, чтобы его высота не превышала его ширину более чем
в два-три раза. Наиболее горячая часть пламени получается
именно у вершины этого конуса. Концы кварцевых стержень-
ков при' этом спаиваются, а затем слегка раздвигаются, чтобы
диаметр мягкой соединительной части был около 1 мм. Часть
эту подвергают затем воздействию самой горячей зоны пламени
До окончательного ее размягчения. Тогда размягченный квар-
цевый стерженек быстро вынимают из пламени в в то же
время оба куска, которые держат обеими руками, быстро раз-
водят на расстояние 0,5—1,0 м. Чем горячее была размягчен-
ная часть кварца и чем быстрее было осуществлено растчже-
207
кие ее, тем тоньше получится нить. Таким способом можно вытя*
нуть нить до 20 [л.
Чтобы из толстой нити вытянуть тонкую, можно поступить еще
следующим образом. Нить, полученную указанным выше спосо-
бом, обламывают посередине так, чтобы у каждого куска кварца
осталась часть ее длиною в 200 — 250 мм. Такой кусочек нити обла-
дает достаточной жесткостью, чтобы удержаться в вертикальном
положении. Затем регулируют пламя, приоткрывая частично
кран, подводящий кислорот. чтобы получить спокойное бесшум-
Рис. 12. Вытягивание на самом горячем пламени — первый
прием при изготовлении тонкой нити.
1 —большая ручная горелка, укрепленная на штативе; 2— нить 0 рт 50
до 100 р., длиною от 400 до 800 мм.
ное пламя длиною около 300 — 400 мм. При этом светлый конус
над наконечником удлиняется на несколько сантиметров. Держа
кварцевый стерженек таким образом, чтобы нить была напра-
влена вертикально вверх, надо осторожно вводить ее в вертикаль-
ное пламя так, как показано на рис. 13. Нагревание нити будет
тогда равномерным на протяжении всей ее длины. Если темпе-
ратура пламени и диаметр нити подобраны правильно, то нить
постепенно начнет сама удлиняться, сначала медленно, а затем,
по мере утоньшения, все быстрее. Наконец, часть нити быстро
.взлетит" к потолку, увлекаемая потоком газов.
Как только это произойдет, нижний конец нити надо вынуть
из пламени. Внимательно вглядываясь, мы увидим тончайшую
нить длиною в несколько метров (1—2). соединяющую оба конца
исходной нити. Отдельные участки ее можно различить благо-
даря рассеиваемому ею свету. Тогда на конец видимого участка
208
одной рукой приклеивают тоненькую ленточку, в то время как
другая рука держит неподвижно кварцевый стержень с началом
нити. Теперь часть нити закреплена с двух концов, так что к ней
можно приклеить другие ленточки на определенных расстояниях
друг от друга. Таким образом, каждый кусочек нити будет снаб-
жен приклеенной к нему ленточкой. Готовые нити следует хра-
нить в чистом сосуде с осушенным воздухом (рис. 14). Толщина
Рис. 13. Второй прием — полу-
чение тонкой нити из толстой,
растягивание ее в вертикаль-
ном направлении током газов в
относительно холодном пла-
мени.
Рис. 14. Хранение нитей.
1 — крышка из зеркального стек-
ла; 2 — стеклянные стержни, по-
крытые слоем пчелиного воска,
укрепленные замазкой к стенкам
(пицеин); 3 — осушитель.
полученной таким способом тончайшей нити будет зависеть
от целого ряда факторов. Главнейшие среди них: толщина исход-
ной нити, температура и высота пламени и время, протекающее
с момента отлетания верхнего кончика исходной нити до выни-
мания из огня нижнего конца ее. Необходимо напрактиковаться,
чтобы добиться получения нитей желаемой толщины. Получен-
ные описанным способом нити будут прямыми и иметь совер-
шенно одинаковый диаметр на значительном протяжении в обе
стороны от средней части.
Необходимо, однако, для получения очень хороших нитей
соблюдать ряд предосторожностей. Самое основное — это чистота.
И Стронг- 209
Пыль на окружающих предметах и носящаяся в воздухе лабо-
ратории содержит загрязнения преимущественно неорганического
характера. Если нагревать нить, на которой осела пыль, то метал-
лические соли образуют силикаты и обычно бесповоротно портят
ее поверхность, а следовательно, и самое нить в тех точках, где
они оседают. Общее правило: ни один участок нити, который
должен выдерживать какое бы то ни было натяжение, не должен
ни с чем приходить в соприкосновение, за исключением таких
материалов, которые мягче кварца и которые не реагируют
с ним. Это — тяжелое требование, но, по существу, нить всегда
возможно держать только за ее концы, которые затем можно
отрезать. Если на исходной толстой нити при введении ее
в пламя появится светлое пятно, то участок, на котором имеется
пятно, следует отрезать. По существу — это лучшая проба для
обнаружения загрязнений. Пыль в виде светлых пятен обнаружи-
вается моментально, и такая нить должна быть забракована.
Если же на нити нет пыли, то кратковременное нагревание
не причинит ей вреда. Такой пробе могут быть подвергнуты
нити от 10 до 100 и с помощью обычной бунзеновской горелки.
Для более тонких нитей применяют маленькие карбюраторные
горелки с „бедным" пламенем.
Во всех случаях, чтобы нить получилась прямой, она должна
непрерывно находиться под некоторым натяжением.
Если нужно измерить диаметр нити под микроскопом, доста-
точно отрезать на пробу по кусочку с каждого конца ее и опре-
делить средний диаметр. Пробные кусочки кладут на предмет-
ное стеклышко, которое потом устанавливают на столике микро-
скопа и рассматривают в проходящем свете. Чтобы быстро найти
нить в поле зрения микроскопа, целесообразно для экономии
времени поступать следующим образом. Прежде всего надо
привести в порядок осветительную систему микроскопа, чтобы
поле зрения было равномерно освещено. Потом следует поднять
объектив настолько, чтобы расстояние от него до предметного
стекла в несколько раз превышало рабочее расстояние, снять оку-
ляр и передвигать стеклышко, на котором лежит нить, по столику
до тех пор, пока в трубке микроскопа не появится маленькое
действительное изображение нити. Затем следует установить
положение нити таким образом, чтобы оно пришлось приблизи-
тельно на средине объектива, который виден в трубу. Наконец,
нужно спустить объектив, пока изображение не начнет расши-
ряться и пока оно полностью не перекроет объектив. Изобра-
жение будет тогда почти в фокусе, и, вставив окуляр, мы сразу
увидим изображение нити в поле зрения.
Проработав немного с нитями, можно научиться на глаз
судить об их размерах по количеству рассеянного ими света,
по величине колебаний их в воздухе, по тому, насколько нить
при определенной длине сгибается под действием собствен-
ного веса, по радиусу кривизны, под которым изогнется нить,
210
если ее перекинуть через иглу с концом, к которому прикреп-
пена ленточка. Точность этих приемов обеспечивает оценку диа-
метра с погрешностью от 20 до 50° 0, за исключением нитей мень-
ших 1 2 р.
Другой метод вытягивания тончайших нитей был описан
Бойсом (Л. V, 1). Он состоит в очень быстром растягивании в сто-
роны двух описанных выше спаявшихся палочек кварца при
помощи стрелы, выпущенной из лука. Этим способом можно
получить очень длинные нити толщиною до 10 и почти
одинакового диаметра по всей длине. Чем горячее капля кварца,
тем тоньше получится нить.
Уход за тончайшими нитями и хранение их
Если на обоих концах кусочка нити имеются ленточки, ее
нужно подвесить за одну из них в чистый сухой стеклянный
резервуар (например, в большой эксикатор). В верхней части
резервуара должна быть укреплена перекладина, к которой
приклеены маленькие кусочки мягкой замазки или пчелиного
воска, удобные для подвешивания ленточек. Верхняя ленточка
легким нажимом прикрепляется к воску, нижняя растягивает
и удерживает нить от свертываний и соприкасания со стенками
и другими предметами.
Резервуар должен быть стеклянный, глубиною 300—400 мм
и герметически закрываться притертой крышкой. Он должен
быть абсолютно чистым и содержать достаточное количество
хорошего осушителя, например пятиокиси фосфора или безвод-
ного едкого натра. Удобный резервуар получится, если перевер-
нуть большой колокол от воздушного насоса и покрыть его
притертой стеклянной пластинкой, как показано на рис. 14. Нити
портятся в сырой атмосфере, но могут сохраняться месяцами,
не изменяя своего сопротивления на разрыв, если их хранить
в сухом месте и тщательно следить за их чистотой.
Некоторые полезные технические указания для работы
с тончайшими нитями
Выпрямление. Нити от 10 до 500 р можно быстро и легко
выпрямлять, подвешивая маленький грузик к нижнему концу
и проводя по нити несколько раз вверх и вниз пламенем бун-
зеновской горелки. Груз должен быть несколько меньше, чем та
тяжесть, которая требуется для заметного растягивания нити
под воздействием пламени. Вес узенькой металлической ленточки
достаточен для нитей от 10 до 50 р, а ленточки шириной 10—15 мм
для нитей между 50 и 500 р. Для нитей от 4 до 10 р узень-
кую ленточку надо разрезать пополам и для нагревания пользо-
ваться небольшой горелкой, питаемой чистым газом.
14* 211
Сгибание. Нити от 40 и толще лучше всего сгибать, под-
весив груз (например, 1 ленточку) на одном конце нити, пере-
гнув другой конец под соответствующим углом и нагревая место
сгиба при помощи небольшой горелки, питаемой газом с неболь-
шой примесью кислорода. Участок нити между пламенем и лен-
точкой примет вертикальное положение и выпрямится, как пока-
зано на рис. 15.
Нити диаметром от 1 до 40 и лучше всего сгибать, пере-
кинув через стерженек кварца. Груз, например часть или целая
Рис. 15. Сгибание толстых и тонких нитей.
1— нить 0 40 [шли толще; 2— нить 0 40 р. или меньше; 3— нить
0 100 р. или толще; 4 — место отреза.
узенькая ленточка или же кусочек воска, легко сгибает нить,
перекинутую через усик кварца диаметром 100 н и меньше.
Нагревая пламенем чистого газа небольшой горелки места со-
прикосновения двух нитей, сгибают тонкую нить вокруг более
толстой. Не следует применять более горячее, чем это необхо-
димо, пламя и пользоваться им более длительное время, так как
при этом оба куска кварцевых нитей могут спаяться.
Натягивание и усадка. Если один конец нити прикреплен
к регулируемому раздвижному механизму, например к описан-
ной выше (стр. 200, 201) подвижной вилке, то часть ее может
быть быстро вытянута до любого размера, применяя пламя не-
большой горелки и постепенно отодвигая один зубец вилки.
Размягченный кварц обладает большим поверхностным натя-
жением, и нити при нагревании проявляют тенденцию к усадке.
Нагревание ведут, пользуясь небольшой горелкой. Необходимо,
чтобы пламя было правильно регулируемо. Надо найти компро-
мисс между горячим пламенем с быстро поступающими газами
212
Рис. 16. Утолщение кварцевых
нитей.
1— нить свежеприклеенная и ослаб-
ленная; 2— нить сама натягивается,
утолщаясь посредине; 3 — нить, ос-
лабленная вторично; 4— нить, вновь
натянутая.
при которых нить легко размягчается и растягивается, отгибаясь
в сторону, и более холодным пламенем, которое недостаточно
размягчает кварц. Наиболее идеальные условия получаются тогда,
когда тенденция к сжатию, возникающая в результате поверх-
ностного натяжения, превышает тенденцию к растягиванию.
Нити дают местный нагрев в ослабленном состоянии, и по мере
прогрессирования усадки нить укорачивают при помощи пере-
мещения зубцов вилки. В данном случае наконечник горелки
с отверстием диаметром около 0,1 мм наиболее пригоден. При
некотором навыке можно добить-
ся местного утолщения нити, в не-
сколько раз превосходящего ее пер-
воначальный диаметр (рис. 16).
Спаивание двух нитей. Когда
будут хорошо освоены описанные
выше технические приемы, попе-
речное соединение одной нити с
другой не представит уже труда.
Каждая из двух нитей будет стя-
гиваться в точке их соединения,
образуя связующую часть, которая
будет крепче, чем любая из спаи-
ваемых нитей. Для этого надо
пользоваться двумя вилками с под-
вижными зубцами, постепенно сдви-
гая их и подавая кварц к месту со-
единения по мере того, как оно
увеличивается в объеме.
Припаивание нити к более
крупному кусочку кварца. Если
кусочек кварца настолько велик,
что не поддается местному размягчению при помощи маленькой
горелки, то большой горелкой на соответствующем месте
его создают выступ, который затем вытягивают в тонкий
усик. Нить, установленную в вилке, помещают рядом с уси-
ком и, когда они соприкоснутся, подвергают действию пла-
мени. По мере размягчения более крупный кусок силой по-
верхностного натяжения втянет в себя тонкую нить. Выпрям-
ления нити вблизи места спая достигают нагреванием ее не-
большой горелкой, горящей на чистом газе (без кислорода).
Нить при этом должна быть слегка натянута (см. выше).
При тщательной работе даже нити диаметром в 1 могут
быть спаяны с другими нитями или с более крупными кусками
кварца.
Вытягивание нити овального сечения. Кончики двух кусков
кварцевого стерженька нагревают кислородно-газовым пламе-
нем таким образом, чтобы размягчились лишь самые острия.
Соблюдая параллельность осей обоих стерженьков, соединяют
213
оба острия и, моментально вынув из огня, раздвигают их под
прямым углом к осям (рис. 17). Таким образом могут быть
получены „плоские" нити (ленты) шириною более 30—40 у.
Они применяются в вакуумметрах, работающих только на
вибрационном принципе, в которых колебания должны совер-
шаться в одной плоскости.
Вытягивание „плоской" трубки. В некоторых случаях кварц
оказывается чрезвычайно полезным при производстве маномет-
ров типа Бурдона. Если
1 длинной плоской труб-
ке придать форму спира-
ли, а для измерения за-
кручивания применить
зеркало со шкалой, то та-
кой же манометр являет-
ся весьма точным при-
бором для измерения
давления средней вели-
чины. Одним из спосо-
бов изготовления длин-
ных кусков тонкостенных
трубок эллиптической
формы является приме-
нение двух больших го-
релок для получения
встречного пламени и на-
гревания в нем без вра-
щения кварцевой трубки
диаметром 12—15 мм.
Нагревание надо вести
Рис. 17. Изготовление ленты.
1 — плоская нить-ленточка
до полного размягчения
стенок вблизи огня, после чего трубку вынимают из огня и быст-
ро вытягивают до длины в 0,5—1,0 м. Если нагревание
было недостаточным, то образуются удлиненные пузыри в
стенках, что делает трубку хрупкой. Практические опыты
позволяют подвергать нагреваемую часть время от времени
попеременно стягиванию и растягиванию при слабом раз-
дувании изнутри. Свертывание овальной по сечению трубки
для получения желаемой формы спирали следует производить
при умеренном нагревании на кварцевой трубке.
Изготовление подвесов для электрометров. Кварцевые нити
являются идеальными подвесами для электрометров. Наилучший
способ получения подвесов нужной длины состоит в припаи-
вании нити к двум более толстым кусочкам кварца при помощи
—D
Рис. 18. Устройство кварцевого подвеса для квадрантного электрометра. Весь
из кварца и металлизирован золотом.
214
аленькой горелки. Во многих случаях эти более крупные
vcohkh полезно бывает согнуть в виде небольших крючков
(как эт0 показано на рис. 18). Для придания всему подвесу
в целом проводимости его покрывают золотом, пользуясь мето-
пом испарения или катодного распыления. В случаях, когда
нельзя пользоваться крючками, более толстые кусочки кварца
оставляют прямыми и приклеивают их на место с помощью
тверд0® замазки Котинского. Для контакта к кварцу, еще до по-
крытия его металлом, прикрепляют с помощью воска i онкую про-
волочку. Другой кончик проволочки потом подтягивается к одной
из металлических частей электрометра.
Метод спаивания подводящих проводников с самой покрытой
металлом нитью не дает таких надежных подвесов, как описан-
ный выше метод. Золото склонно образовывать сплавы с при-
поем и стягиваться в каплю; в результате получается плохой
контакт между средней частью нити и припоем.
Другой метод присоединения нити к металлическим частям
прибора и обеспечения таким образом электрического контакта —
это применение коллоидного графита. В надлежащую точку
капают небольшую каплю аквадага, которая после испарения воды
обеспечивает прочное электропроводящее соединение.
Кварц очень удобен для изготовления электроскопов различ-
ных типов. Он не только пригоден для изготовления подвиж-
ных частей, но без покрытия металлом может быть исполь-
зован и как изолятор.
Установка креста нитей в оптических инструментах. Нити,
сделанные из кварца, превосходят по своим качествам любой другой
Рис. 19. Крест нитей в поле зрения.
1 — нить, подлежащая креплению; 2 — пятнышки шеллака; 3 — кольцо
диафрагмы; 4 — нагретая проволока; 5— ослабленная по концам после при-
клейки пить; 6и7 — концы обрезаны; 8 — готовая нить в окуляре.
материал, применяемый в оптике для крестов нитей. Вследствие
преломления света при рассматривании нити она кажется черной в
поле зрения. Ее исключительно гладкая, свободная от пыли поверх-
ность, равномерность диаметра и то, что она может быть вытя-
нута до сколь угодно малого диаметра, делают применение
кварцевых нитей в оптике особенно ценным.
S15
При укреплении нити на оправе диафрагмы надо предвари-
тельно размягчить капли замазки на надлежащих точках. Нить,
укрепленную на вилке, опускают осторожно на место и, когда
нить коснется замазки, подносят к ней накаленную проволочку.
Нить вдавливается в замазку и остается прочно закрепленной.
Различные стадии этого процесса изображены на рис. 19.
Крутильные весы. Для взвешивания предметов весом меньше
1 мг весьма полезны крутильные весы. Не трудно добиться
чувствительности весов (без применения зеркал или микроскопа)
порядка 10~7—10 ~9 г/деление.
Рис. 20. Кварцевые микровесы.
1 — деревянный футляр со стеклянными стенками для избежания воз-
душных токов (обозначен пунктиром); 2—головка с делениями для закру-
чивания нити и получения отсчетов веса; 3 — кварцевое коромысло; 4 —
закручиваемая кварцевая нить; 5 — кварцевая пружина для натягивания
нити; 6 — установка нуля; 7—крючочек для навешивания взвешиваемых
предметов.
Простые вычисления укажут размеры нити, необходимые
в каждом специальном случае. Коромысла весов должны быть
вполне уравновешены в статическом состоянии. Величину закру-
чивания нити отсчитывают по повороту головки с делениями.
Весы следует выверить, взвешивая на аналитических весах
длинный кусочек тонкой проволоки, например медной 0
0,25—0,10 мм (калибр американский 40 В или S) или никелевой
0 0,1 мм (если понадобится—еще более тонкой), и отрезая от
этого куска разновески соответствующей длины.
Обычно приготовляют 10 разновесок, что дает при калибри-
216
ровании вероятную ошибку меньше чем в 1%. Если натяжение
закручиваемой нити поддерживается при помощи дужки постоян-
ным, то можно с большой степенью точности считать, что угол
закручивания пропорционален весу гирьки. Поскольку известны
радиус нити г, угол закручивания и длина закручиваемой
нити I, нетрудно вычислить величину закручивающего момента,
выражаемого дробью Его максимальная величина не должна
на единицу длины, создающую усилие сдвига, превышать 0,05.
Это позволяет легко подсчитать максимально допустимую на-
грузку весов.
На рис. 20 представлена простая модель таких крутильных
весов.
Если все части и соединения сделаны из плавленого кварца,
нечего опасаться изменения положения „нуля", поскольку предел
упругости кварца почти совпадает с условиями разлома.
Другое применение кварца. Кварцевые стержни или нити
часто применяются в качестве светопроводов для света: видимого»,
ультрафиолетового или инфракрасного. Полное внутреннее отра-
жение удерживает световую энергию внутри кварца и позволяет
ему проводить ее, огибая углы, если, конечно, углы не слишком
остры.
Кварц находит применение во всех случаях, когда требуется
сохранение формы и размеров. Все металлы со временем изме-
няют свои размеры, особенно когда они находятся под натя-
жением. Это изменение может быть несколько снижено путем
тщательного отжига, который заключается в том, что металл
много раз поочередно подвергают действию температур выше
и ниже комнатной. В исключительных случаях такая обработка
должна длиться днями или неделями. Отожженный плавленый
кварц не изменяет своих размеров, так как текучесть его
под натяжением составляет долю меньшую, чем 10~3 от те-
кучести для металла.
Плавленый кварц находит все расширяющееся применение
в лампах различного типа, в которых важно пропускание ультра*
фиолетового света. На этом основании многие фотоэлементы
ныне изготовляются из кварца.
Хотя изложенное выше и не является исчерпывающим переч-
нем применения плавленого кварца, мы все же надеемся, что
у читателя на основании сказанного получится достаточно ясное
представление о пользе и различных возможностях применения,
этого ценного материала.
ГЛАВА VI
ЭЛЕКТРОМЕТРЫ И ЭЛЕКТРОСКОПЫ
Терминология и теоретические основы
Определения. Не всегда бывает ясно, что именно отличает элек-
трометр от электроскопа, и вследствие этого в литературе суще-
ствует некоторая путаница. Для наших целей полезно установить
следующие различия. Электроскоп представляет собой электроста-
тический прибор, для работы с которым требуется только одна
измеряемая разность потенциалов. Для работы электрометров
необходимо наличие добавочной разности потенциалов. Примерами
подобных приборов являются обычный электроскоп с золотыми
листочками и квадрантный электрометр.1
Общая теория. Электростатическая энергия любой системы
проводников, находящихся при потенциалах V/1, 1Д . . . Vn и
выраженная через максвелловские коэфициенты, определяется:
^=4(CuV?+2c12V1V2+ . . .)=-’-2QK (1)
где коэфициенты емкости сп, с12, с13 и т. д. удовлетворяют
уравнениям:
Ql = fn^l4-<:12^2 4" • • • Cln Ki ’ )
............................... }’ (2)
+ • • • Сп,Л‘п ]
в которых величины Q суть заряды на проводниках. Эти коэфи-
циенты обладают такими свойствами, что су = с~. Далее пред-
ставляет собою тот заряд, которым обладает проводник 1, когда
1 В русской литературе приняты другие определения для электроскопов и
электрометров — первый является индикатором, а второй измерителем заряда.
Указанные автором признаки относятся к способам включения электрометра
{Прим. ред.).
218
все другие заземлены и этот проводник имеет потенциал рав-
ный единице. Подобным же образом с12 представляет собой
заряд, индуктированный на проводнике 1, когда все остальные
заземлены и проводнику 2 сообщен потенциал равный единице.
Если все с являются функциями координаты В и все потен-
циалы V постоянны, то сила или момент кручения, стремящиеся
увеличить В, будут:
== V2. 4- 2^- I/. V,
д~ 2 \ 1 Г 1 2 ' * *
Во всех приборах эта электрическая сила или момент круче-
ния уравновешены некоей упругой силой. Если бы мы знали,
как с и упругая сила зависят от В, то тогда с помощью уравне-
ния (3) мы могли бы определить чувствительность к изменению
потенциала.
Несмотря на то, что чувствительность к потенциалу измерить
легче, чем чувствительность к заряду, большинство электро-
скопов и электрометров предназначаются для измерения заряда,
и нас более интересует именно чувствительность к изменению
последнего. В соответствии с уравнением (2) будем считать про-
водник i движущейся системой. Чувствительность к заряду SQ
можно выразить дробью:
1 r
Sq 11 1 d;
W
так как и с и V, вообще говоря, являются функциями координат.
Теория электроскопов. Применительно к электроскопам выше-
указанная теория становится весьма простой. В этом случае
мы имеем только два проводника, один из которых полностью
окружает другой. Пусть футляр будет заземлен. Тогда уравнение
(1) примет вид: 1Г = усК2, где с представляет собой емкость
подвижной системы электроскопа относительно футляра. Емкость
с является функцией смещения и в большинстве случаев может
рассматриваться как линейная функция, т. е. c — cQ-\-bt. Для
этого случая уравнение (3) превращается в ~ = ±.ЬУ2, Если эта
величина будет уравновешиваться силой, пропорциональной
смещению, то можно будет считать k£ — ~bV\ и чувствитель-
ность прибора к изменению потенциала будет:
с — 1
oi
(5)
Из уравнения (4) чувствительности к изменению заряда 5 Q
получается:
1 Я V
(6)
dV /г\ дс ,
Здесь определяется из уравнения (5), а -=Ь, если с — линей-
ная функция В. Поэтому:
5 —(7)
Для большинства электроскопов b2V2 оказывается мало
по сравнению с ck7 так что мы можем написать:
S0=Л=Л (8)
Q ck с
Это последнее соотношение между чувствительностями
к потенциалу и к заряду является общепринятым допущением при
обычной работе с электроскопами. Однако WV2 вовсе не должно
быть малым по сравнению с величиной ck. Поэтому интересно про-
следить, что получится в таком случае. Не трудно убедиться,
что уравнение (7) имеет максимальное значение, когда Vcb2 =
= ck и пои этом условии:
।
)шах = ~2 = *
Эффективная емкость должна возрасти до:
dQ
d~ а
СеК “ С\Г ~ с*
дъ
Дальнейшее возрастание чувствительности к потенциалу при-
водит к более быстрому возрастанию емкости и уменьшению
чувствительности к заряду. Эти условия чаще применяются
к электрометрам и в связи с этим они будут рассмотрены
в следующем абзаце.
Теория электрометра. Все электрометры обычно бывают вы-
полнены из трех проводников, два из которых неподвижны и
подобны друг другу, а третий — подвижный.
Все три проводника электрически соединены вне прибора.
В дальнейшем, мы будем предполагать, что измеряемые заряд или
потенциал прикладываются к подвижной системе, а обе непод-
вижные части поддерживаются при одинаковых по величине,
но противоположных во знаку потенциалах. Такое устройство
320
вовсе не является необходимым, так как совершенно безразлично,
подвести ли измеряемые потенциал и заряд к неподвижной
системе, а подвижную часть держать при высоком потенциале,
или наоборот. Далее предполагается, что электрическая и меха-
ническая нулевые точки прибора совпадают. Это последнее
условие выполнено, если никакой разницы нет в том, заземлить ли
подвижную часть системы, а к неподвижным ее частям при-
ложить одинаковые по величине и обратные по знаку потен-
циалы, или сделать все наоборот. На основании изложенного
выше можно считать, что из двадцати семи членов уравнения (3),
двадцать пять малы или равны нулю по сравнению с двумя
остальными членами.
Если подвижная часть прибора симметрична относительно
неподвижных частей его, то эти оба члена одинаковы, и уравне-
ние (3) обоащается в:
d; 1 •’
где fig представляет емкость между подвижной системой и одной
из неподвижных частей прибора, находящейся при потенциале
V\, в то время как У3 является потенциалом подвижной части
системы.
Случай I. Вообще говоря, с13 должна быть сложной функ-
цией от В. Это безусловно справедливо для большинства струн-
ных электрометров, а для электрометров Гофмана и Долеца-
лека зависимость емкости от смещения оказывается приблизи-
тельно линейной. Для этих приборов г13 — cJ3-j-bO, а момент
кручения равняется:
L-V^b. (9)
Когда система находится в равновесии, то где k представ-
ляет собою константу закручивания подвесной системы. Должно
заметить, что уравнение (9) симметрично по отношению к Vt
и Г3 так, что при подведении постоянного потенциала к под-
вижной или к неподвижной части прибора чувствительность
остается той же. Предполагая, что постоянный потенциал под-
веден к неподвижным частям прибора, найдем выражение для
чувствительности прибора к потенциалу в виде:
(ю)
Тогда заряд на подвижной системе 3 выразится в виде:
Q3 = с13 -j- с23 У2 с
В этом случае подвижная система соединена с подвесом,
который в свою очередь приссединяется к внешней емкости.
«21
Обозначим сумму этих двух емкостей через се. Если подвиж-
ной системе сообщен заряд q, то Q$ = q—V3ce и мы имеем:
q — с13 V1 4~ c,3 I/q 4~ (ce 4“ ^зз) Vs-
Откуда:
1 __dq_____r ________LI/ dfi3 I _ dVa 1 1 dV3 [
Sq Citi 13 06 ‘ 1 Of) * -3 of) * ‘ of) ‘ ' e ' 33' of)
I ]7
I 06 •
Теперь можно считать, что с83 в достаточном приближении
_ дсъз ,
уже не зависит от 6, а ------=1у- Совершенно также 1/2 =
«= — V\ и
дУг
об
0%
оО
= 0.
Чувствительность к заряду выражается:
__________,
9 2 V2 62 +(с +c)k
1 е 33
Величина (се4-сзз) может быть обозначена одной буквой с,
которая представляет собой общую электрическую емкость самого
электрометра и емкость подходящих проводов при условии зазем-
ления всех остальных неподвижных частей прибора. Следова-
тельно:
> __ \\Ь __
><г~ 2V2 ь24- ck
(И)
Это выражение имеет максимальное значение при Vc = у j “,
и если желательна высокая чувствительность к заряду, то
необходимо подвести непосредственно к бинантам или квадран-
там электрометра. Это условие дает:
(S^max = "2 (2с/г) 2 = .
Любое дальнейшее увеличение Ц будет увеличивать чувстви-
тельность к потенциалу и уменьшать чувствительность к заряду.
Взаимное соотношение общей емкости, чувствительности
к потенциалу, чувствительности к заряду и периода, равно как
и изменения добавочного потенциала, показано на рис. 1.
222
Собственно величину как будет видно из дальнейшего,
легко определить экспериментально.
Эффективная емкость при оптимальном значении выра-
жается соотношением:
dQ 1 о
Ccff — 09 X <Л/“2с-
08
Значит, все измерения, необходимые для этого, сводятся к следу-
ющему: нужно определить электро-
статическую емкость подвеса и под-
вижной системы вместе с какой-нибудь
постоянной приключенной к нему ем-
костью, например емкостью ионной
камеры.
Обозначим общую емкость через с.
Сравним отклонения электрометра
при каком-либо приложенном к нему
непосредственно потенциале V с от-
клонением, полученным при том же
потенциале, но подведенном к элек-
трометру последовательно через изве-
стную емкость с£, как указано на рис. 2.
Тогда, если отношение отклонений,
полученных в этих двух случаях, будет
— =---------, это будет значить, что
cs
значение Vt подобрано правильно.
Период колебаний электрометра
также можно подсчитать. Допустим,
что при отсутствии заряда на элек-
трометре и при наличии надлежащего
потенциала на бинантах или квадран-
тах подвижная система под влиянием
внешнего воздействия отклонилась
жает колебаться.
Рис. 1. Общая емкость, чув-
ствительность к напряжению и
к заряду и период (ординаты)
идеального электрометра в
функции от их же значений
при оптимальном потенциале
квадрантов. Потенциал квадран-
тов отложен по оси абсцисс и
его оптимальное значение при-
нято за единицу.
1— общая емкость; 2— чувствитель-
ность к напряжению; 3— чувствитель-
ность к заряду; 4— период.
на угол 6 и затем продол-
Тогда по уравнению (11):
2 + =0, и У3 = -1^0.
1 1 с*8 ’ 3 с
Согласно уравнению (9) электрический момент кручения будег
равен:
а результирующий момент кручения выразится формулой:
2 vf й2о
1 kb.
с
223
Уравнение движения можно будет тогда написать в виде:
d20 /2У?62 , \
и период будет:
Рис. 2. Способ опре-
деления эффективной
емкости электрометра
в форме отношения
jk эталонной емкости.
7' = 2к
где I момент инерции подвижной системы.
При оптимальном значении Ц, %V\b2~ck
и, следовательно, соответствующий период
будет:
(12)
Другими словами, величина периода стано-
вится на 40% меньше периода системы, полу-
ченного при отсутствии потенциала. Макси-
мальная чувствительность к заряду, выражен-
ная в функции его периода, емкости и момента
инерции системы, будет иметь вид:
(13)
Случай И. Если коэфициенты с13 и с23 являются квадратич-
ными функциями смещения (угла поворота системы), т. е. если:
С13 = С13 + +^2,
то выражения для чувствительностей к напряжению и к заряду
будут следующие:
с _ W
k-2gVtV^
•или
<?
k b /’
и
5 =_____+
q 2V\ (b + 2^6)2 + ck *
Оптимальная величина дается выражениями:
i
17 _ 1 / ck \ 2
b + 2^0 (“Tj
и
йк’тМ4’
224
Это выражение представляет собою как раз то, которое мы полу-
чили когда зависимость емкости между подвижной и неподвиж-
ной частями системы была линейной функцией смещения. Эффек-
тивная емкость при максимальной чувствительности к заряду
оказывается тою же, что и в простом случае, т. е. она вдвое
больше чисто электрической емкости. Полный момент кручения
можно будет тогда написать в форме:
. I к I
L = — I к н--- - ь----------.
\ 1 е / с
Если g положительно, то электрометр имеет то, что мы назы-
ваем положительным управлением, в то время как если g отри-
цательно, он имеет отрицательное управление. В последнем случае
чистый момент кручения становится равным нулю в некоторой
точке отклонения, при которой прибор делается неустойчивым.
Такое явление наблюдается довольно часто, когда чувствитель-
ность слишком высока, особенно в струнных электрометрах. Оно
заставляет ограничиться лишь небольшой областью работы при
отклонениях, близких к среднему положению системы. Если g
отрицательно, то период сильно возрастает, и при больших ампли-
тудах колебания он становится все больше и больше.
На основании построенных для прибора характеристических
кривых следует считать, что условия работы в случае II оказы-
ваются менее благоприятными по сравнению со случаем I, так как
он зависит от величины отклонения. Однако другие преимущества
заставляют предпочитать приборы, работающие в режиме второго
типа при сравнении их с приборами, работающими в режиме пер-
вого типа.
Таковыми являются: портативность приборов, легкость в ра-
боте и т. д.
Следует подчеркнуть, что изложенная выше теория содер-
жит много упрощающих предположений и что поведение прибора
в реальных условиях может значительно отличаться от теорети-
ческих расчетов.
Причинами этого можно считать: 1) более сложную зависи-
мость емкости между неподвижной и подвижными частями
прибора от угла отклонения и 2) наличие воздушного зату-
хания подвижной системы.
Важно добиться, чтобы при измерении электрического заряда
было бы как раз оптимальное значение потенциала приложено
к неподвижным частям, при котором чувствительность к заряду
имела бы либо оптимальное, в смысле точности отсчетов, либо
максимальное значение. Экспериментально можно легко проверить,
соблюдается ли, в каждом отдельном случае., это требование.
15 Стронг
223
Рис. з. Два вида электро-
скопов с золотыми листоч-
ками.
1— амброид или изолятор из серы;
2 и 3—золотые листочки.
Описание конструкций электрометров и электроскопов
Некоторые типы электроскопов. Обычный электроскоп с зо-
лотыми листочками состоит или из вертикального неподвижного
металлического стерженька, к нижнему концу которого подве-
шивают одну узенькую полоску из сусального золота, или же
из двух золотых листочков, взаимно отталкивающихся, как показано
на рис. 3.
Стерженек, к которому крепят золотые листочки, должен быть
тщательно изолирован от металлического кожуха прибора втул-
кой из янтаря или серы. Емкость стер-
женька не должна быть больше, чем
3—5 см, а потенциал, вызывающий
отклонение на угол в 45°, должен быть
порядка 300—500 вольт. Если кончики
золотых листочков рассматривать в
микроскоп или в отсчетную трубу, снаб-
женные окулярными микрометрами, то
прибор превращается в надежный из-
мерительный инструмент и становится
пригодным для разнообразных работ,
где не требуется особая чувствитель-
ность к зарядам. Техника изготовления
золотых листочков будет разобрана в
конце этой главы.
Наклонный электроскоп Вильсона
(Л. VI, 10,5) представляет собой нечто
среднее между электроскопом и элек-
трометром. Узкий золотой листок
(рис. 4 а) висит вертикально, кончик его
наблюдают в микроскоп, снабженный
микрометрическим окуляром. К пластинке, расположенной сбоку
от него, внизу приложен потенциал относительно футляра порядка
200 вольт. Эту пластину устанавливают так, чтобы она могла вдви-
гаться и выдвигаться вдоль оси, на которой она укреплена. Рас-
стояние от листочка до пластинки и приложенный к ней потенциал
можно легко подобрать так, чтобы уравновесить действие на
листочек силы тяжести.
При оценке чувствительности прибора к напряжению следует
различать три случая (рис. 4 Ь). В первом случае электростати-
ческое поле пластинки слабо действует на листочек; чувствитель-
ность при этом к приложенному потенциалу получается линей-
ной по всей шкале. Во втором случае листок остается в устойчи-
вом равновесии во всей области измерений, но электростатическое
поле пластинки как раз достаточно для того, чтобы нейтрализо-
вать влияние силы тяжести лишь в определенной (отмеченной
жирным шрифтом на рис. 4) области измерений. В третьем случае
обнаруживается область неустойчивости и соответственно этому
получаются два „нулевых положения".
22b
R' опой случай, в смысле чувствительности, является наивыго'1-
й пим, « если отклонения остаются в пределах надлежащей части
ней«лы ’т0 нет ПРИЧИНЫ сомневаться в сохранении линейности.
Наклонный электроскоп Вильсона можно с успехом применять
самых разнообразных исследованиях, но обычно вместо него
пользуются более совершенными приборами, чаще всего, например,
квадрантными и струнными электрометрами.
В работах с космическими лучами прежде довольно часто при-
менялся бифилярный электроскоп Вульфа. Он отличается простотой,
прочностью и портативностью; но делать отсчеты на нем следует не
Рис. 4. Схема электрометра Вильсона (а) и его характе-
ристики (Ь).
1 — золотой листочек; 1, И и IJJ — кривые отклонения в фун ции потен»
циала листочка.
меняя его положения. Как и в большинстве других электроскопов,
в бифилярном электроскопе Вульфа изменение наклона прибора
вызывает не только изменение показаний, но и оказывает силь-
ное влияние на всю градуировку прибора. Обычно этот прибор
вставляют в воздухонепроницаемую ионизационную камеру, в ко-
торой давление газа бывает увеличено для того, чтобы увеличить
число ионов, образуемых измеряемой радиацией.
Заряд на электроскопе при этом возобновляется либо с по-
мощью механического рычага, действующего сквозь воздухоне-
проницаемую втулку в стенке, либо, что еще лучше, рычагом,
расположенным внутри футляра и приводимым в действие электро-
магнитом.
Конструкция самого электроскопа Вульфа показана на рис. 5.
Стержень из чистого плавленого кварца вмазывается на замазке
в металлическую муфту, в которой зажимным винтом крепится
короткий металлический стержень диаметром 0,5 мм, нижний
конец которого слегка сплющен. Две прямые кгарцевые нити,
длиною от 5 до 10 см и диаметром от 5 до 20 р, покрытые тон-
15* 421
чайшим слоем металла, приклеивают аквадагом или припаивают
(металлом Вуда) к плоскому концу стержня. Нижние концы Обеих
нитей приклеивают рядом к изолирующей кварцевой дужке,
сделанной из кварцевой нити диаметром от 10 до 20 у. Суще-
ственно заметить, что при отсутствии заряда нити должны висеть
параллельно одна другой. Способ натягивания этих кварцевых ни-
тей подробно описан в главе V. Если в качестве клеющего вещества
применять шеллак, то он обеспечит вполне достаточную проводи-
мость от металла к нитям. К верхнему металлическому держа-
телю нитей обычно прикладывается
потенциал порядка 200—400 в.
Если взять нити диаметром в 20 м.
и длиною 8 см, то при потенциале
равном 300 в можно получить раз-
движение нитей
Рис. 6. Схема элек-
троскопа Регенера.
1—металлизированная квар-
цевая пружинка; 2— стой-
ка из чистого кварцевого
стерженька; 3— металлизи-
рованная кварцевая нить 0
1—2 р. или нить Волластона;
4— металлический цоколь,
укрепленный на замазке на
конце кварцевого стер-
женька; 5— металлическая
планка; 6— металлизиро-
ванная кварцевая пружин-
ка, такая же, как сверху.
Рис. 5. Схема бифилярного
электрометра Вульфа.
1—чистый кварцевый стержень;
2—металлический цоколь (кол-
пачок), надетый на кварцевый
стерженек, на замазке; 3— метал-
лический стерженек 0 0,5 мм, рас-
плющенный на конце; 4 — нити,
припаянные металлом Вуда; 5—
металлизированные кварцевые ни-
ти 0 не более 20 р. н длиною
от 50 до 100 мм; 6—чистая квар-
цевая дужка 0 от 10 до 20 р.;
7— приклеена; 8— металлический
суппорт. Масштаб в см.
ДО 3 мм. При ЭТОМ
емкость прибора
приблизительно бу-
дет равна всего 1 см.
Плоскость раз-
двигания нитей дол-
жна быть строго пер-
пендикулярна к оп-
тической оси микро-
скопа, что и дости-
гается поворотом ме-
таллического стер-
женька, поджатого
зажимным винтом.
Чувствитель-
ность электроскопа
Вульфа можно уве-
личить либо повы-
шением увеличения
микроскопа, либо
уменьшением диа-
метра нитей. Однако
этому обычно ста-
вит предел то об-
стоятельство, что со-
бирающий потенциал
для ионов в камере
не должен быть
слишком низким, так
как он зависит от
природы газа и его давления. Обычно собирающий потенциал
должен иметь значение не меньше 100 в.
На основании уравнения (8) чувствительность к заряду выра-
жается соотношением;
228
й если « есть среднее число ионов, собираемых в 1 сек. из
1 см3 газа, то:
где v — объем ионной камеры, а е — заряд иона. Емкость с будет
меняться в зависимости от раздвижения нитей. Определение же
с для различных смещений нити сводится к определению b в урав-
нении С = С04-^«
Электроскоп типа Регенера, состоящий из одной нити, показан
на рис. 6. Проводящая кварцевая нить или проволока Волластона
укреплена около металлического стержня и натянута тонкой
упругой дужкой. Все это крепят на кварцевом изоляторе,
а заряд подводят тем способом, который применялся в электро-
скопе Вульфа.
Рис. 7. Схема электрометра Лоритсена.
1— стойке из амброида; 2— металлическая проволока, расплющен-
ная на конце; 3— кварцевая металлизированная перекладинка фор-
мы „Т“; 4 — металлизированная кварцевая упругая нить; 5— окуляр
Рамздена; 6—прозрачная шкала; 7— объектив микроскопа дает изо-
бражения от перекладинки „Т“ на шкале.
Лоритсен с большим успехом пользовался миниатюрным
электроскопом с кварцевой нитью не только в виде маленького
карманного приборчика, служащего для измерения Х-лучей, но
также и для измерения излучения, обнаруженного при ядерных
исследованиях. Выдающимся достоинством этого прибора является
его крайняя простота. Проволоку, сплющенную на одном конце,
загибают под прямым углом. Металлизированную кварцевую
нить диаметром 5 у- и длиною 6 мм припаивают шеллаком или
коллоидальным графитом (аквадаг) к плоской части проволоки,
образуя угол с проволокой, как указано на рис. 7.
Коротенький кусочек такой же нити приклеивают к другому
концу длинной нити под прямым углом к плоскости проволоки.
Этот добавочный кусочек нити является в то же время маркой
Для рассматривания в микроскоп. Проволочку свободным концом
приклеивают к янтарному изолятору, который в свою очередь
укрепляют на объектив микроскопа. Если электроскоп помешают
внутри ионизационной камеры, то контакт осуществляют с по-
мощью подвижного рычажка, приделанного к закрепленному на
янтаре концу проволоки.
22.4
\ »
В 1932 г. автором был изобретен электроскоп крутильного типа
для получения вполне надежных показаний при измерении косми-
ческих лучей на самолете. Для этого необходим самопишущий
прибор большой чувствительности, на показания которого не
должны влиять ни наклоны, ни вибрации самолета. Что касается
наклона, то его влияния на показания удалось уменьшить до
величины ниже чем 0,001 полного отклонения при наклоне
на 90°. Что же касается вибрации, то вполне удовлетворитель-
ные показания были получены с электроскопом, установленным
Рис. 8. Схема крутильного кварцевого элек-
троскопа Г. В. Ниира.
1— чистый кварцевый стерженек; 2— платиновое кольцо
для передачи заряда; 3— золотое покрытие всех частей
с этого места; 4—закручивающаяся нить; 5— индикатор
(стрелка); С— начало отсчета; 7— стрелка, отклоненная
зарядом.
на расстоянии одного
метра от мотора аэропла-
на. Чертеж такого элект-
роскопа представлен на
рис. 8.
Этот электроскоп из-
готовляется целиком из
плавленого кварца. Закру-
чивающаяся нить натяги-
вается до тех пор, пока
ее длина не увеличится
примерно на 1°/о.
Поперечный рычажок
отгибают с одного конца
и, так как нужно большее
увеличение, опускают
вниз для получения плеча
надлежащей величины.
Короткий кусочек нити
служит в качестве посто-
янной марки для отсчета.
Формы и размеры непо-
движных частей подби-
рают так, чтобы можно
было получить линейную
шкалу по всей области
измеряемых разрядов. Ку-
сочек тонкой листовой
платины, наклеенный на кварц полимеризующейся замазкой,
представляет собой то место, куда подводятся новые пор-
ции заряда. Все соединения с помощью небольшого кисло-
родного пламени спаиваются вместе, чтобы вся система по су-
ществу представляла собою один причудливый кусочек кварца.
Ниже платинового контакта всю систему надо покрыть про-
водящим слоем золота. Коромысло уравновешивается обрезанием
с одного конца. В большинстве случаев такая балансировка не
требует особой тщательности, что важно, так как при весьма
тонкой крутильной нити балансировку производить трудно. Если
материала отрезано слишком много, то необходимую массу ме-
230
легко добавить в виде тоненького слоя золотой китайской
талла (см- гл. V), которую надо затем нагреть приближением
!5Рней накаленной проволоки.
К Вообще говоря, необходимо создать постоянное закручивание
'путильной нити и прижатие коромысла к стопору. Этого дости-
гают поворотом всего коромысла ниже стопора на желаемый у гол,
ослабляя при этом натяжение, подталкивая дужку книзу и на-
гоевая нить по концам небольшим пламенем чистого газа. Такое
подогревание вполне достаточно для размягчения кварца.
Закручивание должно быть произведено прежде, чем система
будет покрыта проводящим слоем металла.
Следующий пример хорошо иллюстрирует, насколько велико
должно быть это закручивание. Если крутильная нить имеет диа-
метр 5 и длину 12 мм, а длина коромысла равна 18 мм и предвари-
тельный поворот сделан на угол 30 , то отклонение начнется только
с 200 вольт при чувствительности 2 X Ю~ » Электростатиче-
ская емкость прибора равна примерно 0,5 см, и, следовательно,
чувствительность к заряду должна быть
Предполагая, при этих условиях, что модуль сдвига равен
е к z ши Дин 1 х / ш 9 ДИН см / с\.
5 Х 10 ’ момент кручения 1 X 10 “2 получим (см. ур. 5):
£ =~Д =0,6 X Ю"8 см/радиан
при V= 1 электростат. ед. напряжения. Так как b есть величина
геометрическая, то она вовсе не будет зависеть от величины
кручения нити. Вышеуказанное соотношение дает возможность
произвести приближенное вычисление чувствительности для дру-
гих значений момента кручения k. Если применять весьма тон-
кую крутильную нить, то для того, чтобы обеспечить в камере
необходимый собирающий потенциал, придется предварительно
закрутить нить на один или даже несколько оборотов. Если
диаметр коромысла должен быть не больше 20 р, то закручива-
ние можно сделать лишь после того, как был уже нанесен про-
водящий слой, пользуясь при этом иглой и просовывая кончик
коромысла между крутильной нитью и основным кварцевым
держателем.
Некоторые типы электрометров. Наиболее распространенным
электрометром является квадрантный электрометр Долецалека
Он состоит из цилиндрической коробки, так наз. „pillbox",
разделенной на четыре равных и изолированных друг от друга
квадранта, но противоположные квадранты обычно соединяются
электрически. Существуют два способа употребления квадрант-
ных электрометров. Один из них заключается в подведении
и поддержании постоянного высокого потенциала относительно
земли на „бисквите" и в сообщении измеряемых зарядов одной
паре квадрантов, в то время как другая пара заземляется.
231
Другой способ заключается в том, что одна пара квадрантов
похдерживается при потенциале V, другая пара при—V,
а измеряемый заряд подводится к бисквиту. Первый метод
включения представлен на рис. 10а. В зависимости от желаемой
точности, обычно потенциал V подбирают в пределах от 50 до
150 в.1
Рис. 9. Квадрантный электрометр Долецалека.
1—- позолоченная кварцевая нить; 2— открытые квадранты позволяют видеть
бисквит; 3— латунный футляр с окном (изображен пунктиром); 4— плос-
кий крючок на раептюнюннэм конце проволоки; 5—проволока диаметром
0,5 мм; 6—зеркальце; 7—платинированный бисквит; 8—квадранты из
латуни; 9— изоляторы из амброида; 10— бисквит из двух слоев бумаги для
увеличения жесткости; 11—гог изонтальиая поверхность платинированного
бисквита; 12—плоскость квадрантов.
Во втором способе можно две батареи включить так,
как указано на рис. 10 Ь, где главная батарея из двух частей
обеспечивает основную необходимую разность потенциалов, а доба-
вочная, снабженная потенциометром, дает распределение этой
разности меж чу частями прибора. Можно сделать иначе, при-
соединив параллельно главной батарее два большие сопротивле-
ния R и R, а между ними включив потенциометр R', как ука-
зано на рис. 10 с.
1 В некоторых случаях бывает полезно значительно повышать этот потен*
пиал. (Прим. ред.).
23?
Первая схема имеет то преимущество, что в ней продолжитель-
ность устойчивой работы высоковольтной батареи определяется
только ее собственной долговечностью в разомкнутом состоянии,
тогда как во второй схеме наиболее ценным является то, что
-С Vy всегда равно—и положение нулей, механического и
электрического, один раз установленное, остается навсегда совпа-
дающим. Современные сухие батареи „В“
(русское обозначение ,,БАС“) поддерживают
потенциал постоянным в течение достаточно
большого промежутка времени и имеют
весьма низкий температурный коэфициент;
поэтому в большинстве случаев первая
схема оказывается наиболее выгодной.
При расчете электрометров Долецалека
величина b может быть определена прибли-
женно, в зависимости от геометрической
формы и размеров прибора. В дальнейшем
будет видно, какую форму должен иметь
бисквит, чтобы емкость между ним и квад-
рантами при его отклонениях изменялась
линейно с изменением угла. Пусть 0 будет
отклонение, R — радиус бисквита, h — рас-
стояние между бисквитом и боковой
стенкой квадрантов и d — высота квадран-
тов по образующей. Тогда возрастание на
единицу угла поворота емкости между
бисквитом и квадрантом, внутрь которого
он постепенно заходит, обозначенную Ъ,
можно выразить формулой:
— h)
А так как с другой стороны бисквита на-
ходится такая же пара квадрантов, то пол-
ный электрический момент кручения по
уравнению (9) будет;
, VtV3R2d
L A-h‘a-~h)'
который при равновесии равен /?0. Тогда
чувствительность к изменениям потенциала
будет:
Рис. 10. Способы подве-
дения зарядов к квадран-
там электрометра.
v 4-xhk(d~- h) ’
(14)
а чувствительность к изменениям заряда:
233
с __ 2nVJWid(d-h) .
+ WckhHd-h)* { )
При оптимальном значении lzt получится:
,. _ 4rdi(d— h) /ck\ 2
V 0 ~ /&! V 2 /
и максимальная чувствительность к заряду выразится:
(s?U=4^)~^
Эффективная емкость при этой чувствительности равна 2 с,
где с есть полная емкость, на которой распределен заряд q. Урав-
нения (14) и(15)даюг возможность заранее рассчитать чувствитель-
ность электрометра к постоянной разности потенциалов и к посто-
янному заряду для заданных значений потенциала на квадрантах
или на бисквите при заданных геометрических параметрах при-
бора. Однако в действительности эти расчеты не подтверждаются
экспериментально, так как было обнаружено, что когда потенциал
на квадрантах или на бисквите слишком сильно возрастает, то
период постепенно удлиняется, и то численное значение периода,
которое он принимает окончательно, делает положение бисквита
в определенной точке шкалы нестабильным. Это обстоятельство
обусловливается наличием нелинейных членов в выражении для
емкости между бисквитом и квадрантами. Тщательным подбором
значимость этих членов может быть до некоторой степени умень-
шена, но никоим образом не устранена.
При сборке электрометра Долецалека бисквит не должен
быть помещен слишком близко ни к верху, ни к низу квадран-
тов, так как тогда даже самые незначительные колебания, проис-
ходящие под влиянием изменения в температуре и т. д., будут
изменять характеристику прибора. Совершенно также и различ-
ные неправильности в форме бисквита могут повысить влияние
нелинейных членов в выражении для емкости между бисквитом
и квадрантами. Хотя на максимальную чувствительность к заряду
эти колебания в расстояниях и не влияют, однако они сильно
сказываются как на оптимальном напряжении, так и на чувстви-
тельности к напряжению.
Прибор при установке должен выравниваться установочными
винтами до тех пор, пока стерженек; на котором крепится бис-
квит, не окажется точно в центре круглого отверстия в верхней
части квадрантов. Необходимо предусмотреть удобный заземля-
ющий контакт, который можно приводить в движение как рукою,
так и при помощи магнита извне прибора. Следует принять все
меры, чтобы устранить возможность появления термоэлектродви-
жущих сил. Головка прибора, на которой подвешен бисквит,
должна быть повернута так, чтобы каждая половина бисквита
214
находилась в строго симметричном положении между двумя
квадрантами. Для проверю! этого следует заземлить бисквит,
а на квадранты можно приложить небольшие вспомогательные
напряжения+ Vh—V. После этого следует установить головку,
повернув ее чуть-чуть в том или в другом направлении, чтобы
бисквит оставался неподвижным, вне зависимости от того, при-
ложены или нет эти равные и противоположные потенциалы к
квадрантам.
После этого следует подвести к квадрантам полные рабочие
потенциалы ± V и окончательно отрегулировать нулевое поло-
жение с помощью потенциометра, как показано на рис. 10 b
и 10 с. Таким образом, дело сводится к так называемому обще-
известному совмещению электрического и механического нулей,
что необходимо делать почти для всех видов электрометров.
Рабочее значение величины чувствительности к заряду
обычно бывает равно:
5. = 1,3 ХЮ4
дел.
эскулон
= 0,4 ХЮ14
дел.
кулон
=0,6 ХЮ-5
дел.
электрон
Соответственно этому чувствительность к напряжению можно
считать в пределах:
5’ = 1000 до 1500 - - дел--,
и вольт ’
а оптимальное значение разности потенциалов на квадрантах
в пределах от 50 до 150 в с каждой стороны относительно
земли. Если же высокий потенциал подвозить к бисквиту, то
обычно его следует подбирать в пределах от 100 до 200 в,
в зависимости от других параметров и в частности от парамет-
ров нити подвеса. Во всех предыдущих рассуждениях пред-
полагалось, что отсчеты производятся по шкале, разделенной на
миллиметры и удаленной, как обычно, на 1 м.
Так называемый электрометр Комптона был разработан
в 1919 г. двумя братьями: А. X. Комптоном и К. Т. Комптоном.
Он представляет собой тоже квадрантный электрометр, но отли-
вается тем, что, во-первых, один из его квадрантов может слегка
приподниматься или опускаться относительно трех других
И, что, во-вторых, симметрия частей в нем нарушается сверх
toro тем, что бисквиту дается определенный начальный наклон.
Тщательной установкой этого подвижного квадранта можно или
удлинить (отрицательная регулировка) или укоротить (положи-
тельная регулировка) время, необходимое для возвращения
бисквита в исходное положение после отклонения. Конструкция
этого прибора изображена на рис. 11 (Л. VI, 1).
235
Дисимметрия прибора, указанная выше, вводит дополнительные
нелинейные члены в изменение емкости при поворотах бисквита.
Получаемый при этом дополнительный электростатический
момент кручения оказывается либо противоположен моменту
кручения подвеса (отрицательная поправка), либо с ним совпадает
(положительная поправка). В предельном случае реакция подвеса
Рис. 11. Электрометр Комптона с подвижным квадрантом.
1— головка винта, поднимающего или опускающего регулировочный квад-
рант; 2— подвижной регулировочный квадрант; ?—футляр с окном изобра-
жен пунктиром; 4— позолоченная кварцевая нить; 5— квадранты; 6— крючок
на расплющенном конце проволоки; 7— проволока 0 0,-5 мм; 8— зеркальце;
9—вид биствнга с конца, заметен угол закручивания его; 10—платиниро-
ванный бисквит; 11—края квадрантов скошенные; 12—плоскость квадран-
тов.
может быть полностью скомпенсирована и даже перекомпенси-
рована. Это значит, что чувствительность к напряжению может
быть сделана чрезвычайно высокой. Рис. 12 а иллюстрирует
соотношение между чувствительностью к напряжению и напря-
жением на бисквите для различных величин вводимой положи-
тельной поправки, а на рис. 12 b представлено то же соотноше-
ние для различных величин отрицательной поправки. В этом
последнем случае был использован довольно жесткий подвес.
Кружочки на кривых 6, 7, 8, 9 отмечают наивысшие значения
236
чувствительности, при которой нуль прибора остается еще доста-
точно устойчивым для получения вполне надежных измерений.
Мелкие цифры над кривыми на рис. 12 а и рис. 12 b представ-
ляют время, необходимое в каждом случае для возвращения
бисквита в положение покоя до 1 мм после отклонения зайчика
на 50 мм по шкале. Вследствие чрезвычайно малого остаточного
восстанавливающего момента кручения и значительного воздуш-
ного затухания, движение подвесной системы является аперио-
дическим. Электрометр Комптона является наиболее подходящим
прибором для измерения особенно малых значений разностей
потенциалов, где не требуется слишком большой чувствитель-
Рис. 12. Типичные характеристики электрометра Комптона, изобра-
жающие влияние положительного а и отрицательного b управления
чувствительностью по напряжению. Кривые b сняты с более грубым
подвесом, чем кривые а.
ности к заряду. Однако иногда почти такую же чувствитель-
ность к напряжению можно получить и с обычным квадрантным
электрометром, сделав у него подвес настолько тонким, чтобы
достичь того же времени возвращения к нулю при условии, что
подвесная система у него будет столь же легка, как и в электро-
метре Комптона.
В самом деле, на основании приведенных нами кривых можно
заключить, что, не пользуясь ни положительной, ни отрицатель-
ной поправкой, представленной на рис. 12 а прямой линией,
а только с помощью тонкой нити, можно получить чувствитель-
ность к напряжению примерно такую же, которая получается
с жесткой нитью при большой отрицательной поправке. Однако
такая большая чувствительность к потенциалу не всегда
бывает полезна при измерении электрических зарядов, что
является главным назначением электрометров, так как она за-
медляет работу прибора и дает плохие отсчеты (сползание нуля).
Совершенно так же для данного времени возвращения к нулю
237
после определенного отклонения при указанных условиях чув-
ствительность к заряду имеет максимальное значение (Л. VI, 8).
Вольф (Л. VI, 11) установил, что максимум полезной чувствитель-
ности к заряду у электрометра Комптона равняется 2ХЮ14
что получается при чувствительности к напряжению равной
5000 —- •
вольт
Электрометр Гофмана (Л. VI, 2) сочетает высшую чувстви-
тельность к заряду, достигаемую с другими лучшими приборами,
имеющимися в продаже, с устойчивостью, т. е. с отсутствием
смещения нуля, с простотой и с быстротой в работе. При разра-
ботке прибора были приняты все меры для устранения контактной
разности потенциалов, термоэлектродвижущих сил и воздушных
потоков. Для устранения влияния воздушных потоков подвиж-
ная система окружена в нем большой массой меди для того,
чтобы градиент температуры свести к минимуму. Самое основ-
ное решающее преимущество этого электрометра состоит в том,
что полость его может быть откачана до давления нескольких
миллиметров ртутного столба, что делает прибор совершенно не-
восприимчивым к внешним влияниям — „успокоенным намертво".
По существу прибор работает по тому же принципу, что
и квадрантный электрометр. Главное отличие состоит в том, что
в качестве подвижной системы работает только половина бис-
квита, так что вместо четырех квадрантов в нем необходимы
только два аналогичных им проводника, так называемые „би-
нанты". На рис. 13 представлено соотношение основных частей
этого прибора. Платиновый бисквит и зеркальце весят вместе
приблизительно 5 миллиграммов. Подвес же представляет особую
нить Волластона диаметром 3 р.
Для того чтобы сделать чувствительность совершенно неза-
висимой от температуры, необходимо бисквит или подвижную
пластинку установить на одном и том же расстоянии от обоих
бинантов.
Этого можно достичь, вставив в держатель в верхней части
камеры электрометра, который, в свою очередь, поддерживает
подвес, стерженек металла, имеющего такой коэфициент тепло-
вого расширения, чтобы полное тепловое расширение всего под-
веса совершенно компенсировало относительное изменение длины
закручиваемой нити в соответствии с изменением температуры.
Контактные и термоэлектродвижущие силы доводятся до мини-
мума тем, что все детали делаются из платины или сплошь ею
покрываются.
Изоляция также экранируется металлом, так что даже воз-
можные следы зарядов на них не могут повлиять на подвижную
систему.
В силу того что электрометр Гофмана (сочетает в себе так
много удобств и преимуществ, то полезно хотя бы некоторые
238
из них сопоставить в определенном порядке. Эти преимущества
могут оказаться налицо и в некоторых других приборах, в кото-
рых ставится задача свести чувствительность к заряду до пре-
делов, лимитируемых броуновским движением, и освободиться
от сползания нуля, а периоды отклонения уменьшить до разум-
ных величин.
1. Момент инерции подвижной системы должен быть возмож-
но меньшим (см. ур. 13).
Рис. 13. Детали электрометра Гофмана.
а — общий вид; б — детали внутреннего устройства; в — детали
бисквита (стрелки) из платинового листочка.
1—биметаллические стойки, обеспечивающие одинаковые изменения с темпера
турой у подставки и у подвеса; 2— массивный медный экран; 3— наружный футляр
® °^ном кП°“ пУнктиРОм); —кран для эвакуирования прибора; 5—массивный
w^h из красной меди; G— окно; 7—внутренняя полость платинирована; 8— зазор
между двумя половинками шириной 0,25 мм; 9—стрелка (бисквит); 10—нить
Волластона; 11—спай; 12—зеркальце.
2. Подвес должен быть сделан из материала, который имеет
малый коэфициент внутреннего трения, чтобы после каждого
отклонения бисквит возвращался точно на нуль.
3. Воздушные потоки должны быть сведены до минимума.
Это значит, что подвижная система должна быть окружена боль-
23ь
шими массами меди. Подвес должен быть по возможности вплот-
ную окружен металлическими частями.
4. Воздух из камеры должен откачиваться, чтобы время от-
клонения можно было легче подобрать внутри приемлемых
границ.
5. Если расстояние между бисквитом и неподвижными ча-
стями сохранять постоянным, то можно избежать необходимости
температурной компенсации.
6. Контактные и термоэлектродвижущие силы должны быть
устранены.
Кроме того, желательно, чтобы шкала была возможно ближе
к линейной.
Электрометр Гофмана обладает еще двумя дополнительными,
весьма ценными приспособлениями, а именно: 1) электромагнит-
ным заземляющим контактом и 2) индукционным кольцом для
наведения заряда на подвижную систему.
Для того чтобы облегчить осуществление электрических сое-
динений, к нему прилагается панель управления, которую обычно
продают вместе с самим прибором. Хотя в ней нет безусловной
необходимости, однако эта панель очень помогает и ускоряет
работу, так как с ее помощью нужные соединения включаются
и выключаются в надлежащие моменты только одним движением.
Последняя модель электрометра Гофмана (Л. VI, 13) соединяет
в себе все наиболее ценные усовершенствования, сделанные после
работы с первоначальными моделями, и, кроме того, в ней все су-
щественные части сделаны по возможности доступными для про-
верки и юстировки.
Устанавливать ее гораздо проще: например, в инструментах
старого типа прибор откачивался после того, как бинанты уже
отрегулированы, тогда как в новой конструкции эта регулировка
производится после откачки, извне, при помощи гибкой ребри-
стой трубки — сильфона.
Струнные электрометры. Эти приборы делятся на два основных
типа: 1) у первых нить закрепляется на одном конце и 2) у вто-
рых нить туго натянута при помощи тонкой пружинки. Последние
получили большее распространение и, насколько автору известно,
только этот тип и имеется в продаже.
Зато электрометры первого типа легко изготовить самому,
и часто они оказываются вполне удовлетворительными, если
не требуется крайняя чувствительность. Надо взять только две
совершенно плоские пластины с нитью, помещенной между ними,
как показано на рис. 14.
Для того чтобы свести вместе механический и электрический
нули, необходимо сделать надлежащую установку или пластинок
или нити, или и тех и других. Добиться правильного расположе-
ния их можно иногда просто наклоняя прибор в соответствующем
направлении. Прибор должен быть снабжен микроскопохм для
наблюдения отклонений.
240
При пластинках, находящихся друг от друга на расстоянии
в 1 см, диаметр нити должен быть примерно 25 у, а ее длина
4 см, если потенциал на пластинах не превышает 100 в.
Из приборов второго типа наиболее характерным является
прибор, построенный Вульфом (Л. VI, 12). Он схематически изобра-
жен на рис. 15.
В нем нитью служит обычно нить Волластона диаметром в 2ji,
прикрепленная снизу к кварцевой дужке.
Микрометренные винты позволяют перемещать пластинки каж-
дую отдельно относительно нити и производить натяжение самой
нити.
Рис. 14. Электрометр про-
стейшей конструкции со
свободно подвешенной
кварцевой нитью. Позо-
лоченная кварцевая нить
0 15 р., длиной 40 мм.
Рис. 15. Схема унифи-
лярного струнного элек-
трометра Вульфа.
1 — нить Волластона 0 2—3 р.
и'И позолочлнная кварцевая
нить; 2 — кварцевая упругая
дужка 0 10 [А.
Рис. 16. Схема электро*
метра Перукка.
1 — позолоченная закручивае-
мая кварцевая нить; 2— микро-
скоп; 3 — позолоченный кварц
(усики); 4 — кварцевая пру-
жинка; 5 — установочная го-
ловка для кручения.
Во всех струнных электрометрах, при достижении большой
чувствительности, отклонение не является уже линейной функ-
цией от приложенного заряда или от напряжения. При повышен-
ной чувствительности часто случается, что нить выходит за пре-
делы поля зрения микроскопа, когда она попадает при отклонении
в положение неустойчивого равновесия.
Главные преимущества струнных электрометров: 1) портатив-
ность и прочность, 2) простота установки и регулировки, 3) бы-
строта отсчетов.
Электрометр Перукка (Л. VI, 7) подобен струнному электрометру
во всем, за исключением того, что подвижная часть его между
пластинами состоит из двух проводящих кварцевых нитей, ко-
торые держатся на третьей закручивающейся нити, как показано
на рис. 16. Эти две подвижные нити на одном конце соеди-
нены вместе и снабжены небольшим указателем, который и надо
16 Стронг
241
рассматривать в микроскоп. Чувствительность к заряду и к
потенциалу у него значительно выше, чем у обычного струнного
электрометра.
Электрометр Линдемана (Л. VI, 6) был вначале разработан при-
менительно к работе с фотоэлементами, установленными в теле-
скопах для измерения света от отдельных звезд. Такое назначе-
ние требует, чтобы чувствительность и положение подвижной
системы не зависели от наклона. Необходимо, во-первых, чтобы
все его части были очень жесткими и, во-вторых, чтобы на очень
туго натянутой закручивающейся нити была укреплена исклю-
Рис. 17. Схема электрометра Линдеманна.
а — общий вид; б— детали подвеса.
1— квадранты размерами примерно 10X15 мм; 2 — промежуток
шириной в 2 мм: 3 — движение стрелки наблюдают в микроскоп;
4 — кварцевые стойки; 5—кварцевая закручиваемая нить; 6 — квар-
цевая U-образная вилка; 7 — шеллак; 8 — стрелка из стеклянной
нити 0 20 р, позолоченная с обеих сторон и укрепленная на
кварцевой закручиваемой нити, обмедненная электролитически; 9—
позолоченная кварцевая закручиваемая нить 0 6 у. и длиной 14 мм;
10—припой металлом Вуда; 11—медный проводничок.
Весь прибор заключен в металлический футляр 45X28 высотой
30 мм, с окошками сверху и снизу.
чительио легкая подвижная система (бисквит). Так как зеркальце
со шкалой оказалось слишком тяжелым устройством отсчета для
такой системы, то отклонения бисквита можно наблюдать лишь
с помощью микроскопа, снабженного микрометрическим окуляром.
Весь электрометр весит всего только 80 г. Квадранты и
устройство бисквита изображены на рис. 17.
Принцип работы прибора подобен принципу работы квадрант-
ного электрохметра. Ширина квадрантов 1,5 см, высота 1 см,
а ширина щели, в которой перемещается бисквит, равна 2 мм.
Эти пластины квадрантов укрепляют на расстоянии равном 5 мм
друг от друга на кварцевых стерженьках. Расположение кру-
тильной нити и укрепление на ней бисквитов выполнены так,
чтобы место их соединения оказалось в симметричном положе-
нии относительно четырех пластин. Все это, как одно целое, по-
мещено в алюминиевый кожух с соответствующими подводя-
щими проводами.
242
Движение кончика бисквита можно наблюдать с помощью
микроскопа сквозь стеклянное окошко, сделанное в одной из
стенок кожуха. Другое окошко, сделанное в противоположной
стене кожуха, дает возможность свету проникать в кожух.
Бисквиты необходимо сбалансировать так, чтобы поворот при-
бора на 90е не вызывал смещения бисквита больше чем на
0,06 мм. Обычно бисквитом служит толстая кварцевая нить
длиной 1 см, а крутильная кварцевая нить имеет диаметр 6 у.
Обе они покрыты проводящим слоем металла, а все подводя-
щие проводники выведены наружу из кожуха. Кварцевая рамка,
на которой натянута крутильная нить, служит весьма хорошим
изолятором. Включение прибора в электрическую схему совер-
шенно такое же, как и в любом квацрантном электрометре. При
потенциале порядка 100 вольт работа электрометра будет не-
устойчивой. Если же потенциал только на 3 вольта ниже этой
величины, характеризующей неустойчивое состояние, то откло-
нение уже за 1 сек. достигает 99% своей полной величины.
Чувствительность к напряжению при этих условиях соответ-
ствует 0,76 мм перемещения кончика бисквита на вольт. С микро-
скопом, обладающим соответствующим увеличением, можно до-
стичь чувствительности в рабочих условиях порядка 500Эле-
ктростатическая емкость примерно равна 2 см. Прибор этот с успе-
хом можно применять для измерения токов порядка от 1О~10 до 1014
ампер в больших сопротивлениях. Если не предъявлять слиш-
ком больших требований, то этот простой и дешевый электрометр,
который к тому же каждый может сделать сам, удовлетворяет всем
обычным требованиям, особенно когда нужны портативность
и малые габариты прибора.
Рассмотрению вопросов; касающихся электрических схем, чув-
ствительности и пределов применения электрометров с вакуумными
трубками специальной конструкции, посвящена X глава.
Практические соображения относительно применения электро-
метров и электроскопов
Чувствительность, необходимая для работы с Л-лучами. В ра-
боте с АЧпучами часто применяют электрометры с ионизационной
камерой. Как хорошо известно, ионы образуются не только под
действием пучка Х-лучей, но и под действием: 1) космических лучей,
2) местной радиации от радиоактивных веществ, входящих в состав
окружающих предметов, и 3) радиоактивного загрязнения на внут-
ренних стенках ионной камеры. Последняя причина может быть
уменьшена до весьма малой величины по сравнению с влиянием
двух остальных. Внутренние стенки могут быть покрыты смесью
коллодия и копоти; каждое из этих веществ обычно бывает
совершенно свободно от радиоактивных примесей. Для того
чтобы задержать все а-частицы, толщина слоя покрытия
16*
243
должна быть около 0,05 мм. Другой метод состоит в поддержании
на тонкой проволочной сетке надлежащего потенциала, достаточ-
ного чтобы отогнать все ионы, образованные а-частицами, обратно
на стенки камеры. Так как третья причина обусловлена частицами,
которые при нормальном давлении воздуха имеют пробег меньше
5 см, то эту область свободного пробега можно уместить в проме-
жутке между сеткой и стенками при наличии газа большого
молекулярного веса или при помощи увеличения давления, или же
совокупным действием и того и другого.
Даже простая карборундовая бумага, наклеенная на стен-
ках камеры, часто способствует значительному снижению их
эмиссии. Что касается первой причины, то космические лучи
можно уменьшить до чрезвычайно низкой величины, поме-
щая прибор в шахту на 30—60 м ниже земной поверхности,
а вторую причину можно свести к ничтожно малой величине,
окружив прибор слоем свинца толщиной 100 мм. Однако так как
на практике все эти меры оказываются слишком сложными,
в большинстве случаев приходится находить другие выходы
из создавшегося положения.
Так как погрешность результата, который зависит от разности
или суммы двух отсчетов, выражается формулой (см. стр. 295):
е=(4+^)‘“, (16)
где ej и е3 погрешности двух отсчетов, то безнадежно пытаться
повышать чувствительность измеряющего механизма за известные
пределы, и единственная надежда увеличить точность заключается
в удлинении периода наблюдения. Легко видеть, что оптимально
полезная мера чувствительности будет достигнута, когда откло-
нения, обусловленные одним только шумом флуктуаций, и откло-
нения, обусловленные одним только пучком Х-лучей, равны
меж;у собой при условии одинакового времени наблюдения.
Если отношение величины отклонения от флуктуаций к вели-
чине отклонения от пучка лучей желательно сделать по возмож-
ности малым, то очевидно, что объем камеры тоже должен быть
мал, так как отбросы, вызванные флуктуациями, зависят от вели-
чины ее объема.
Пример. Предположим, что ионная камера имеет объем 1000 см3.
Космические лучи создают в воздухе на уровне моря примерно
3 / ~м.-г.сек . Местная радиация создает примерно от 3 до
5 / т^зГсек.дт • в воздухе, тогда как величина фона флуктуации мо-
жет меняться в весьма широких пределах. Вероятно, она будет
укладываться в пределы от 0,1 до 10 / с~з.сек ,ат в воздухе.
Так как пути всех а-частиц кончаются в газе, то увеличение
давления не может изменять число ионов, образованных а-части-
цами. Ионизация же от местной радиации и от космических
244
чей будет возрастать с увеличением давления. Допустим, что
73/ обусловлены электронами и 5/-а-частицами. Средняя длина
пути электронов равна 10 см, что при образовании 60 ионов на
см будет соответствовать 12 электронам, пересекающим камеру
в одну секунду.
При средней относительной процентуальной ошибке со-
гласно законам вероятности,-^частиц должны пересекать камеру.
Если £i будет 0,03, или 3%, то в камере нужно насчитать
Ю3 частиц. По вышеуказанным соображениям этот процесс будет
продолжаться 80 сек.
Эти 103 электронов создадут 6 X Ю5 ионов. Следовательно, если
мы предположим, что те же самые флуктуации существуют в
потоке ионов, то, согласно уравнению (16), для того чтобы при
отклонениях средняя ошибка не превышала 4%, мы должны
иметь для этого время по крайней мере в одну минуту и по-
скольку оцениваем величину отклонения до 0,1 деления, то чув-
ствительность электрометра не должна быть больше, чем 10 5
делений на один ион.
Что же касается а-частиц от стенок, то их влияние можно
принять в расчет следующим образом.
Предположим, что они дают 5 /, что не является величиной мало
вероятной. 1 огда образуется 5000 - к , а одна а-частица может
обычно создавать в газе примерно 10000 ионов. Следовательно,
число а-частиц, вылетающих из стенок в секунду, будет равно 0,5.
Если есть средняя абсолютная ошибка при данной величине
одного отсчета, a tq2 при другом отсчете, то средняя относительная
ошибка суммы будет:
где 6 обозначает отклонение прибора.
Если есть число частиц в секунду, образованных одной
частицей определенного рода, и /х — число ионов, получающихся
от одной такой частицы, то на основании уравнения (17) можно
показать, что средняя относительная ошибка суммы отсчетов
для двух родов частиц выразится:
J JL
е / Лу| + ^2/2 \ 2 / (4,3 + 50)ХЮ6 \2 0,6
г ~ 17(072 +0,50)3 ХЮ8)
где значок 1 относится к электронам, а значок 2 — к а-частицам.
Для того чтобы сохранить точность в 4%, необходимо произво-
дить счет в течение 400 сек. За это время будут собраны 5Х 10е
ионов. Для того чтобы уложить это в 4%, необходимо иметь чув-
ствительность электрометра не больше, чем 10-6 делений на ион.
(М)т
245
Эти приближенные вычисления были сделаны для того, чтобы
показать: 1) важность возможно полного устранения а-частиц
и 2) существование нижнего предела полезной чувствительности
электрометра.
Если заряды приходится собирать в условиях, где имеется
относительно слабый фон флуктуаций, например при работе
с фотоэлектрическими явлениями, то нет оснований, чтобы чув-
ствительность не была доведена до максимума.
Во всех случаях, по возможности, следует подбирать электро-
скоп или электрометр требуемой точности.
Наивыгоднейшая чувствительность для работы с космиче-
скими лучами. В том случае, когда прибор приспособлен только
для измерения космических лучей и никакие специальные экраны
г.е применяются, ионизация будет обусловлена лишь случайными
электронами и Х-частицами, которые ионизуют газ подобно
электронам. Если это так, то средняя относительная ошибка
выразится через Л7-”^, где Л7 есть полное число частиц, действие
которых измеряется. Если имеется п частиц, приходящихся на
1 см2 в сек. с очень большой энергией, и если средняя относитель-
ная ошибка при одном отклонении есть ег, тогда мы можем
определить необходимую продолжительность наблюдений для
сферической ионизационной камеры по формуле’
z=_1______
где =М2
При этом, если а обозначает удельную ионизацию, а средняя длина
пути равна у /?, полное число ионов, собранных за это время,
выразится через:
Это даст величину отклонения, отсчитываемую со средней ошиб-
кой не большей чем ег. Если а = 60 ионов см-1, /?=10 см и
ег — 0,01, то v = 8 X Ю6 ионов и нужна чувствительность электро-
метра порядка 3 X 10-6 делений на ион. Обычном = 0,02
на уровне моря.
Следовательно, минимальное время наблюдения должно быть
порядка 30 мин., и для каждого наблюдения средняя ошибка
составит 1%. Эти вычисления не учитывают, конечно, ошибки,
обусловленной фоном.
Однако очень часто ионизационную камеру окружают экра-
нами из железа или свинца. Это обусловливает два эффекта:
1) вообще говоря, такая защита обычно уменьшает интенсивность
излучения и 2) она вводит свое новое излучение.
246
Все частицы, проходящие сквозь ионизационную камеру, распре-
делены во времени в среднем довольно равномерно. В дополнение
к ним появляются ливни, состоящие из двух или нескольких
сотен электронов, которые вылетают в одно время из одного
какого-нибудь участка экрана. Это вводит большие флуктуации
в работу камеры, поэтому время наблюдения для такой камеры,
размеров указанных выше, должно быть в 2 или даже в 4 раза
больше при той же средней ошибке.
Соответственно этому измерительный прибор может обла-
дать меньшей чувствительностью.
Измерения методом постоянных склонений. В некоторых
случаях желательно применить вместо метода утечки (спада-
ющего отсчета) постоянные отклонения. Это можно сделать,
пользуясь электрометром для измере-
ния падения напряжения на фиксиро-
ванном сопротивлении, как указано на
рис. 18.
Предположим, что нам желательно
измерить постоянную источника ионов I.
Пусть емкость внешней системы отно-
сительно земли будет ct и электрометра
с2 и пусть падение напряжения изме-
ряется на сопротивлении Rr.
Тогда:
Рис. 18. Измерение ион-
ного тока I по падению
напряжения и сопротив-
лению /?, посредством
электрометра с2.
К + 4 — > h— » с
dQ2 __ dV
dt —C*dt’
_dQx [ jt_r dV-i ।
“ ~dt + ' ~C^'dt^
Уравнение для потенциала на электро-
метре тогда будет:
Решая и подставляя граничные условия, 7 = 0, 1/=0, получим:
V=lRr \—е
t
di +
Таким образом, потенциал на электрометре экспоненциально воз-
растает. Если произвольно условиться, что мы будем ждать до
тех пор, пока отклонение составит 99% окончательного откло-
нения, тогда мы должны ожидать время 7=4,6 R{c, где
c==ft4~c2- Спустя это время, отклонение будет приблизительно
VSr. Если кГы измеряли I методом утечки (спадания), то мы
должны были бы иметь то же самое отклонение за время Rxc.
247
Разность отсчетов, конечно, будет обусловлена тем обстоятель-
ством, что во втором случае скорость спадания постоянна, тогда
как в первом случае начинаются отклонения с той же скоростью,
как если бы оо, но потом постепенно замедляются и ста-
новятся очень медленными по сравнению с вторым случаем.
Поэтому для измерения слабых токов значительно более благо-
приятные результаты можно получить применяя метод спадания
(утечки). Большие же токи удобнее измерять методом постоян-
ных отклонений. Метод спадания можно применять и для изме-
рения относительно сильных токов, но в этом случае для удли-
нения времени спадания следует приключить емкость соответ-
ствующей величины.
Пределы чувствительности приборов различного типа.
Пределы чувствительности к зарядам электроскопа и элек-
трометра были уже указаны. Для первого максимальная чувстви-
тельность к заряду выражается формулой:
) пах = -у (fk) * = * ,
и для последнего
1 _1__________1_
( ) щах 2 С^) 2 4 Vob •
Емкость электроскопа без подводящих проводников зависит
от особенностей его конструкции. Для электроскопа Вульфа или
электроскопов крутильного типа она обычно бывает между
0,4 и 1 см. Емкость же электрометра с добавленной к нему
внешней емкостью бывает порядка 20—100 см. Восстанавливаю-
щий момент k подвеса можно в каждом приборе уменьшать до
тех пор, пока замедление движения не сделает прибор утоми-
тельным в работе или, как в случае большинства электроско-
пов, пока потенциал не сделается слишком малым, чтобы убрать
все ионы. Так как камеру электрометра можно откачать, то
легко подобрать такое давление, чтобы движение бисквита сде-
лалось затухающим критически.
Если камера электроскопа не откачана, то рабочий период
может сделаться чрезвычайно большим, когда будет достигнута
максимальная чуствительность. Делая бисквитики по возможно-
сти малыми и легкими, можно достичь очень многого в этом
направлении, как это сделано в электрометрах Линдемана, Пе-
ру к ка или струнных электрометрах.
Предельная чувствительность и метод спадания (утечки).
Скорость спадания электрометра в течение одного отсчета
часто является ограничивающим фактором чувствительности. Она
иногда делается слишком малой и утомительной для отсчетов
прежде, чем будет достигнута максимальная чувствительность.
Одной из главных причин, заставляющих не пользоваться мето-
248
дом спадания, является постепенное расхождение между поло-
жениями электрической и механической нулевых точек. Откло-
нение, обусловленное расхождением нулей, может быть во много
раз больше действительного измеряемого отклонения. Спадание,
обусловленное побочными причинами, может получиться за счет:
1) флуктуаций напряжения в батарее и 2) неупругими измене-
ниями натяжения в подвесе. Если бы скорость утечки была
постоянной, то можно было бы сделать некоторые упрощающие
допущения, однако существует целый ряд факторов, которые
самым различным образом зависят от напряжения, температуры,
влажности и тому подобное, и потому весьма трудно или вовсе
невозможно устранить полностью или учесть эти колебания
скорости утечки. Это особенно справедливо по отношению элек-
трометров с электронными лампами, даже если применяются
схемы с компенсацией.
Пределы полезного увеличения отклонений. Для опре-
деления величины отклонения в электроскопе или электро-
метре обычно применяют один из двух методов: 1) метод микро-
скопа с окулярным микрометром и 2) метод зеркала и шкалы.
Для электрометра Линдемана и для большинства электроскопов
применяют только микроскоп. Что же касается пределов его
увеличения, то они в сущности ограничиваются его разрешающей
силой.
Увеличение можно повышать до тех пор, пока положение
дифракционных полосок еще можно определять с точностью
до 0,1 деления в окулярном микроскопе. С нумерической апер-
турой объектива равной 1 и расстоянием от объектива до изобра-
жения равным 20 см наименьшее допустимое фокусное расстоя-
ние объектива будет приблизительно равно 3 мм, если шкала
в окуляре разделена на 100 делений и равна по длине 1 см.
Если применять зеркало и шкалу, то для достижения доста-
точного разрешения нужно применить зеркало определенного,
не слишком малого размера. С величиной деления шкалы равной
1 мм и при обычном расстоянии ее в 1 м необходимо, чтобы
зеркало имело диаметр не менее 2 мм. Тогда можно прочесть
по шкале 0,1 деления. Например, во всех случаях при оценке
разрешающей силы, минимальной величины спадания, флуктуа-
ций или других подобных величин необходимо всегда иметь
возможность произвести эту оценку на глаз до 0,1 наимень-
шего деления по шкале. Вообще говоря, бесполезно увеличивать
чувствительность любого прибора за пределы, когда оценка 0,1
деления становится затруднительной.
Пределы точности, обусловливаемые броуновским движением..
Один из разделов классической теории распределения энергии
говорит о том, что во всех телах средняя тепловая энергия,
приходящаяся на каждую степень свободы, равна КТ, где К —
постоянная Больцмана, а Т — абсолютная температура. Это броу-
249
невское движение в приборе сказывается в форме случайных
флуктуаций положения равновесия.
Очевидно, чтобы постоянное отклонение прибора можно
было заметить, оно должно по крайней мере быть не меньше,
чем среднее отклонение, получаемое за счет броуновского движе-
ния.
Механическая энергия подвижной системы, находящейся под
действием восстанавливающей силы, пропорциональной смеще-
нию, равна у^2, где В обозначает смещение, a k есть восстана-
вливающая сила (или момент кручения). Если Д; есть среднее
броуновское отклонение, то соответствующее значение k должно
удовлетворять уравнению:
^-k^=^KT,
откуда
КТ
(Д5)2 '
С другой стороны, максимальная чувствительность к заряду для
электроскопа выражается формулой:
И) *
а поэтому, если отклонение равно среднему броуновскому откло-
нению, максимальная чувствительность выразится:
5 =___________
Q 2(KTcft
При комнатной температуре максимальная чувствительность
к заряду для электроскопа, таким образом, будет достигнута,
когда:
1,2 ХЮ'4 _____дел. _
шах 1 электрон
с2
где электроемкость с дана в сантиметрах. Для электрометров
подобное выражение окажется равным:
(S 1 — в*** Ю 4 дел.
\ дЛглх 1 электрон
с2
Очевидно, что электростатическая емкость прибора должна
быть по возможности малой, если мы хотим увеличить до пре-
дела чувствительность к заряду.
25U
Собственная емкость электроскопа всегда бывает много
меньше, чем у электрометра. Это обстоятельство дает возмож-
ность у первых приборов не только получить более высокую
чувствительность к заряду при том же моменте закручивания,
но и облегчает отсчеты.
Интересно сравнить указанный выше предел с тем, что
получается со счетчиком Гейгера. При некоторых измерениях
число отбросов и число собранных единичных зарядов сравнимы
между собой. Средняя ошибка счетчика Гейгера при одном
только отсчете N частиц, распределенных как угодно, равна
N1/2, так что, если желательно иметь среднюю ошибку в 1°/0,
необходимо сосчитатьили 104 частиц. С другой стороны,
на электроскопе, имеющем емкость 0,5 см, необходимо собрать
8 X 104 электронов при той же средней ошибке, если отклонения
отсчитываются с точностью до 0,1 деления. Это будет только
в том случае, если можно будет пренебречь фоном и в том
и в другом приборе.
Сравнение приборов различных типов. Наиболее чув-
ствительным прибором, имеющимся в продаже, является,
вероятно, электрометр Гофмана. Максимальная чувствитель-
ность, достигаемая в этом приборе, составляет приблизи-
тельно 5 X Ю15 —• Сползание нуля в этом приборе устра-
нено до такой степени, что по истечении некоторого времени
можно обнаружить стекание заряда в среднем 1———. 1ем не
менее для облегчения работы рационально подобрать чувстви-
дел.
дельность к заряду всего около 1 X Ю15" кулон— *
Прибор Гофмана сильно выигрывает, если тщательно откачи-
вать его камеру, не только вследствие сокращения времени
работы, но и еще в большой мере благодаря исключению влия-
ния конвекционных потоков.
За последние несколько лет электрометры с электронными
лампами достигли значительного совершенства. Их можно при-
менять в таких условиях, когда неудобно или даже невозможно
пользоваться электрометрами обычного типа.
Чувствительность их можно сделать сравнимой с чувстви-
тельностью электрометра Гофмана, однако в смысле точности
они ниже, вследствие сползания нуля. Обычные условия надеж-
ной работы состоят в том, что нужно иметь мощные батареи
для питания анодов и нитей и поддерживать у них постоянство
температуры, а подводящие проводники тщательно экранировать.
Все сопротивления тоже должны оставаться неизменными.
Несмотря на то что при правильном выборе схемы и ее парамет-
ров можно флуктуации напряжения уменьшить до минимума, одна-
251
ко все же невозможно устранить смещение нуля и обычно необ-
ходимо ждать несколько часов после того, как все соединения
уже сделаны, чтобы все условия измерений пришли в устой-
чивое состояние.
Если возможно, рекомендуется подбирать инструмент в соот-
ветствии с требованиями каждой отдельной задачи. Часто бывает
удобнее применить электроскоп вместо электрометра. Преиму-
щества такой замены состоят в следующем: 1) малая зависимость
от изменений внешней температуры и влажности, 2) меньшее
влияние изменений потенциалов батарей и сопротивлений, 3) боль-
шая устойчивость нуля, 4) необходимость только одной опреде-
ленной вспомогательной разности потенциалов, 5) простота уста-
новки и управления, 6) портативность, 7) дешевизна.
Его главные недостатки сводятся к следующим: 1) за исклю-
чением приборов крутильного типа, чувствительность не так
высока, как у обычного электрометра, 2) менять чувствитель-
ность затруднительно, 3) неудобно применять нулевой метод
отсчета. В табл. 1 перечислены приблизительные значения пара-
метров некоторых приборов.
Значения указанной чувствительности к заряду не являются
максимальными, которых можно добиться, а представляют собою
те величины, которые можно получить на практике без больших
затруднений.
Таблица 1
Сравнение параметров различных приборов
Тип
Бифилярный электроскоп Вульфа .
Наклонный электроскоп Вильсона .
Крутильный электрометр Ниира . .
Квадрантный электрометр Долецалека
Электрометр Комптона.............
Электрометр Линдемана............
Струнный электрометр Вульфа . . .
Электрометр Перукка..............
Вакуумный электрометр Гофмана .
Электрометр с электронной лампой
S4 (ХЮи)
0,5 0,002
100 0,1
100 2
1000 0,4
5000 2
500 0,5
500 0,2
2000 1
10 000 10
10 000 5
Рабочий
период
в секундах
0,1
1
60
40
1
1
10
10
Чувствительность к напряжению (Sy), данная в табл. 1 длт
разных приборов, выражена в делениях на вольт, которые соответ-
ствуют указанной максимальной чувствительности к заряду Sq,
выраженной в делениях на кулон. Значения Sq указаны без
присоединения внешней емкости.
В некоторых случаях чувствительность к напряжению может
быть сделана значительно выше, особенно с электрометром Комп-
тона, с которым можно получить 50000—,
г - вольт
252
Рабочий период представляет собою время, в течение кото-
рого отклонение становится равным нулю, после того как весь
заряд удален.
Некоторые технические приемы, полезные при изготовлении
электроскопов и электрометров
на гладком картоне. Если
Рис.
тых
19. Приклеивание золо-
листочков к электро-
скопу.
1 — край стола; 2 — бумага; 3 — зо-
лотой листок.
Крепление золотых листочков. Сусальное золото продается
обычно в форме квадратных листочков размером 8 X 8 см. Листочки
переложены слоями папиросной бумаги. Золотой листочек должен
быть совершенно однородным и достаточно тонким, чтобы можно
было сквозь него рассматривать предметы, если поместить
его перед глазом. Толщина его обычно бывает 0,08 и. Листочек,
помещенный между слоями папиросной бумаги, разрезают лезвием
бритвы на полоски нужного размера. Бумага, проложенная между
золотыми листочками, вполне пригодна для этой цели. Разрезать
нужно на плотной подложке, например
лезвие бритвы достаточно остро, то
разрезы будут ровными, и золото не
пристанет к бумаге.
Листочек можно переложить с од-
ного слоя бумаги на другой с помо-
щью чистой иголки, вставленной для
удобства работы в тонкую деревян-
ную ручку. Его можно брать и пере-
кладывать чистыми пинцетами с ост-
рыми кончиками. Если листок кос-
нется предмета, на поверхности ко-
торого есть пленка органического ве-
щества, то он может легко прикле-
иться к нему даже при самом слабом
нажиме.
Такой приклеившийся листок лег-
че разорвать, чем отделить от по-
верхности, к которой он прилип.
Для приготовления электроскопа с
вырезают так, чтобы размеры его
и затем переносят на лист писчей бумаги, расположив его так,
чтобы один конец вырезанной полоски пришелся бы около края
бумаги. Край бумаги сдвигают с края стола примерно на 5—6 мм.
Ту часть поверхности металла, на которой должен быть подве-
шен листочек, надо смазать шеллаком, растворенным в спирте.
Край смазанной части должен быть перпендикулярен к краю
стержня подвеса, при чем листочек должен приклеиться так,
чтобы плоскость отклонения его оказалась бы перпендикулярной
к плоскости стержня подвеса. Остальная часть металлической
поверхности стержня, к которому приклеивают листочек, должна
быть совершенно чистой, в противном случае листочек может
одним листком, последний
соответствовали заданию,
253
прилипнуть к ней другими участками своей поверхности. Для
приклеивания металлический стержень следует привести в поло-
жение, указанное на рис. 19, а затем постепенно опускать.
При этом бумага отогнется вниз, и листочек приклеится
к шеллаку.
Всю эту операцию надо выполнять в такой комнате, в кото-
рой движение воздуха доведено до минимума. Рекомендуется
при этом надеть маску или респиратор, чтобы не сдунуть ли-
сточка дыханием.
Приготовление волластоновой нити. В электрометрах Гоф-
мана и некоторых других струнных приборах применяют тонкий
платиновый подвес, известный под названием волластоновой
нити. Она может быть получена различных размеров — от 1,5
до 5 р.. Для изготовления столь тонкой и однородной по диаметру
нити применяют следующий способ. На платиновую проволоку
значительно большей толщины электролизом осаждают однород-
ный слой серебра. Эту двуслойную нить затем протягивают до
тех пор, пока внутри не получится платиновая нить нужного
диаметра. Затем серебро стравливают кислотой. Так как в ре-
зультате получается весьма тонкая платиновая проволока, то при
травлении и при дальнейшей работе с ней необходимо проявлять
особую осторожность (см. гл. XIII, стр. 531).
Для того чтобы избежать пузырьков, собирающихся на прово-
локе при травлении, которые в некоторых случаях приводят
к разрыву проволоки, надо применять специальный раствор
химически чистой азотной кислоты в дестиллированной воде
с плотностью порядка 1,10 г/см3. Чтобы гарантировать однород-
ное травление, проволоку перед погружением в кислоту надо
тщательно очищать.
Для того чтобы после травления нить можно было безопас-
но вынуть, надо предварительно с помощью легкого кислородного
пламени на одном из концов нити сделать бусинку, диаметр
которой в 2 или в 3 раза больше диаметра самой проволоки.
Затем часть проволоки, длина которой должна быть примерно
на 2—3 см длиннее, чем требуется для подвеса, надо отрезать.
После этого в высокий сосуд, например в мензурку, надо налить
раствор и вертикально погрузить предварительно выпрямленную
проволоку.
Подвес можно оставить в растворе в течение длительного
промежутка времени, так как на платину раствор не действует.
Совершенно необходимо вытравить все серебро, иначе в про-
цессе отжига подвес может порваться. Маленькая бусинка, сде-
ланная на нижнем конце проволоки, отмечает положение конца
подвеса после вытягивания его из раствора.
Перед припаиванием на место полезно укрепить подвес
в специальном суппорте („раздвижной вилке4*). В нем расстояние
между двумя шпильками должно быть несколько больше, чем
длина подвеса. Если на кончики шпилек прилепить две кварце-
254
вые нити диаметром 20—30 у и твердой замазкой прикрепить
к ним нить Волластона, то будет гораздо меньше причин опа-
саться, что она оборвется.
Необходимо перед монтажом либо после него повернуть
подвес в горизонтальное положение, после чего он должен быть
отожжен в легком газовом пламени.
В спокойном воздухе пламя должно проходить на таком
расстоянии, чтобы платина накалилась до яркокрасного цвета.
Если все серебро было вытравлено, то по всей своей длине
подвес будет иметь одинаковую яркость. Отжиг нити совершен-
но необходим для освобождения ее от напряжений, возникающих
при вытягивании.
Для припаивания нити на место применяют химически чистый
раствор хлористого цинка, который является самым хорошим
флюсом. При этом тепло к нити лучше всего подводить с по-
мощью маленького паяльника и не к той точке, в которой нить
касается припоя, а на некотором расстоянии (2—3 мм) от нее,
пользуясь теплопроводностью стержня. Подобную работу лучше
всего производить с помощью лупы или бинокулярного микро-
скопа. Соединения в местах спаев должны быть тщательно про-
смотрены, чтобы убедиться, что платина действительно погру-
зилась в припой, а не удерживается на нем затвердевшим
флюсом.
Изоляторы, применяемые при изготовлении электрометров
и электроскопов. В качестве изоляторов в электрометрах обычно
применяют только сплавленный янтарь, представляющий собою
уже готовый полуфабрикат „амброид“, который обладает всеми
хорошими изоляционными свойствами естественного янтаря
и имеет перед ним то преимущество, что он может быть по-
лучен любого размера в форме круглых стержней. Янтарь имеет
большое объемное удельное сопротивление и исключительно
высокое и постоянное сопротивление по поверхности. Если
поверхность янтаря загрязнена, то рекомендуется снять с его
поверхности тонкий слой, что можно сделать острым резцом на
токарном станке. Если это сделать затруднительно, то янтарь
можно покрыть тонким слоем чистого церезина, как будет описано
ниже.
Янтарь можно применять в форме янтарного лака, покрывая
им хорошо высушенные и нагретые поверхности других изоля-
торов, обладающих большей поверхностной проводимостью; в
этом случае изоляция значительно улучшается. Бесполезно, однако,
покрывать янтарным лаком поверхности, загрязненные или адсор-
бировавшие много влаги (некоторые сорта стекла).
Для приготовления лака по рецепту инж. П. А. Ильченко
(ГОИ) растворяют натуральный янтарь в бензоле при вы-
сокой температуре и под большим давлением. Это удобнее всего
сделать в толстостенном запаянном сосуде из стекла пирекс или
молибденового, помещенном в стальную бомбу и нагретом выше
25Ь
200сС. При комнатной температуре янтарь в бензоле не раство-
ряется. Густой раствор можно разбавлять чистым безводным
бензолом.
Самый лучший из других известных изоляторов — чистый,
сухой, плавленый кварц. Под чистым кварцем следует понимать
кварц, к которому ничто не касалось с момента его нагрева до
точки размягчения, под сухим же кварцем разумеют кварц, про-
сушенный либо в хорошем вакууме, либо в атмосфере газа,
осушаемого фосфорным ангидридом. Плавленый кварц оказы-
вается лучшим изолятором по сравнению с другими еще и по-
тому, что он весьма мало гигроскопичен. При равных или срав-
нимых условиях янтарь обладает по крайней мере в 10 раз
большей гигроскопичностью, чем кварц.
Церезин представляет собою натуральный минеральный воск,
обладающий исключительными изоляционными свойствами.
Чистый натуральный церезин получается возгонкой из мине-
рального озокерита. Искусственный церезин, который значительно
хуже натурального, тоже встречается в продаже. Поэтому при
заказах необходимо требовать только натуральный продукт.
Церезин обладает при 20° С несколько большей твердостью, чем
обычный парафин. Его точка плавления выше, чем у парафина или
искусственного церезина. Жидкого состояния он достигает при
температуре не ниже 65° С. Его изолирующие свойства были
измерены в Бюро стандартов и описаны Куртиссом (Л. VI, 2).
Куртисе сообщает, что поверхностное сопротивление больше
чем 1017 ом/см даже при 90% влажности. Одним из главных при-
менений церезина в лаборатории является улучшение поверх-
ностного сопротивления других изоляторов. Если любой твердый
изолятор и церезин отдельно нагреть несколько выше 100° С,
а затем смазать изолятор церезином, то утечка по поверхности
будет уменьшена по крайней мере в 100 раз.
Установка электрометра. Так как подводка проводов к чув-
ствительным электрометрам должна быть весьма тщательно за-
экранирована, то вопрос об установке его заслуживает серьезного
внимания, и те подвесы, которыми обычно пользуются для зер-
кальных гальванометров, едва ли всегда будут удобны. Подвес
должен обладать достаточной устойчивостью и хорошо предо-
хранять прибор от сотрясений. Наиболее практичной, невиди-
мому, является установка прибора на соответствующий акусти-
ческий фильтр, состоящий из двух тяжелых плит с прослойками
между ними, сделанными каждая из 2—3 слоев мягкого ровного
сукна.
На плоскую полочку, где должен быть поставлен прибор,
расстилают гладко в два или три слоя (в зависимости от тол-
щины) мягкое тонкое сукно (без складок). На него кладут пер-
вую плитку и застилают ее в свою очередь 2—3 слоями сукна.
На них помещают вторую плитку, а на последнюю, на слой
резины или толстого картона, ставят прибор. Необходимо:
256
1) чтобы поверхности плиток были совершенно плоскими и сжи-
мали бы сукно равномерно по всей поверхности; 2) чтобы пло-
щадь их была настолько велика, чтобы сукно между ними не
было бы слишком сжато и, кроме того, была бы обеспечена
достаточная устойчивость прибора; 3) чтобы вес плитки был по
меньшей мере в 4 5 раз больше веса прибора. Чем больше
будет масса плиток и чем мягче сукно, тем лучше будет дей-
ствовать установка, так как вибрации даже значительной ампли-
туды будут затухать не доходя до электрометра. Плитки можно
сделать или из тяжелого дерева (дуб, береза) или из толстого
алюминия. Для облегчения процесса установки полезно с боков
сквозь доску полочки пропустить три уравнительных винта, на
которые могла бы специальными лапками опереться верхняя
плитка в то время, когда приходится подводить и крепить
проводники или производить другие манипуляции с прибором.
После того как прибор установлен, следует эти три винта вы-
винтить и таким образом освободить верхнюю плитку от жест-
кой опоры, дав ей свободно повиснуть на упругих силах сукон-
ных прокладок. Сам электрометр устанавливают так, чтобы его
центр тяжести пришелся бы по возможности точно против гео-
метрической середины плиток. Плитки должны иметь или ква-
дратную или круглую форму.
Надо обратить внимание на то, что, как показывает практика,
механические вибрации могут подействовать на прибор через
посредство проводников и особенно экранирующих трубок, если
последние будут достаточно упруги и жестки. Этот источник
возмущений всего труднее устранить.
17 Стронг
ГЛАВА VII
СЧЕТЧИКИ ГЕЙГЕРА
Определение
Счетчик Гейгера представляет собою прибор, умножающий
число ионов и потому чувствующий даже отдельные ионизирую-
щие частицы. За исключением так называемого пропорциональ-
ного счетчика, результирующий разрядный импульс тока в счет-
чике практически не зависит от числа ионов, образованных
первоначальной частицей. Поэтому хотя в большинстве счетчи-
ков Гейгера «-частица образует в 102—10s раз больше началь-
ных ионов, чем ,Ь-частица, все же каждая из них дает импульс
разряда почти той же самой величины и обычно каждая реги-
стрируется как одна отдельная частица.
Эти счетчики достигли в настоящее время высокого совер-
шенства и являются основным средством для изучения слабых
радиаций, обнаруживаемых в космических лучах и в искусствен-
ной или естественной радиоактивности. Тем не менее сам меха-
низм газового разряда в счетчиках еще не вполне изучен.1
Счетчик с острием
Первоначальная конструкция счетчика Гейгера (Л. VII, 13) со-
стояла из заостренной проволоки, окруженной металлическим ци-
линдром и изолированной от него, как показано на рис. 1. Высокое
напряжение от 1500 до 5000 вольт подводилось к счетчику
через высокоомное сопротивление R (около 109 ом). По отноше-
нию к точке Р цилиндр заряжен положительно. Импульс тока
разряда наблюдают при помощи струнного электрометра. Счет-
чик действует следующим образом: электрическое поле в непо-
средственной близости от острия настолько высоко, что при
имеющемся в счетчике давлении газа каждый ион, попадающий
в это пространство, неизбежно образует путем столкновений
1 Читатель найдет много ценных и интересных сведений в книге: Векслер,
Грошев и Добротин „Экспериментальные методы ядерной физики1*. Москва,
Техтеорстиздат, 1940.
258
большое число новых ионов. Последние,
Б свою очередь, образуют новые ионы,
пока величина заряда, который наконец
будет протекать через счетчик, не до-
стигнет порядка 10“8 кулона, завися, ко-
нечно, помимо других величин и от
приложенного потенциала. Стекание за-
ряда, который был накоплен на распре-
деленной емкости (ее мы можем обо-
значить буквой С), обусловливает паде-
ние напряжения в счетчике до вели-
чины, при которой разряд не может
больше продолжаться, и тогда вновь
Рис. 1. Схема первоначаль-
ного точечного счетчика
Гейгера со струнным элек-
трометром (указан стрел-
кой).
начинается накопление заряда через со-
противление R. Счетчик снова возвращается к его нормальным
рабочим условиям и готов для следующего отсчета. Заряд, посте-
пенно накапливающийся на С, вызывает падение потенциала на R,
которое показывает электрометр.
Пропорциональный счетчик
Рис. 2. Характеристика
иионального" счетчика
“® Г*8СТке А~В Размер
с! Л₽^?™?ен. и°низации.
ной ионизации.
Только что описанный счетчик работает по принципу спуско-
вого механизма, и величина импульса практически не зависит от
ионизации, вызванной первоначальной частицей. Он отвечает оди-
наково и на а- и на ,8-частицы. Однако Гейгер и Клемперер
(Л. VII, 12, 10, 19, 17) нашли, что если на острие укрепить малень-
кий металлический шарик и заря-
дить его не отрицательно по отно-
шению к цилиндру, как в первона-
чальной гейгеровской конструкции,
а положительно, то в ограниченной
области вольтажа, соответствую-
щей области от А до В на рис. 2,
величина импульса будет прибли-
зительно пропорциональна первич-
ной ионизации, вызванной частицей.
Это обстоятельство дает возмож-
ность различать тяжелые частицы,
например а-лучи, протоны и дейт-
роны и более легкие частицы —
электроны. Так как у-лучи обнару-
живают себя лишь посредством
из вещества, сквозь которое эти
, оказывается возможным счи-
частицы даже в присутствии мощного
„пропор-
Гейгера.
отклонения
л 777™”.?” "««изации. На участке
Тклонение не зависит от начали-
электронов, освобожденных ПО Г)'
тать гм?оОДЯТ’ то’ следовательно,
потока уЛЬНЫ? тяжелые часп—
КонстоуУЧеИ " <-излУчения.
многими исслетоВя^поРЦИОнал?ного счетчика> применявшегося
дователями, изображена на рис. 3.
17
259
Цилиндр поддерживают при постоянном отрицательном
напряжении по отношению к шарику и подводящей проволоке.
Стальной шарик диаметром от 1 до 2 мм дает хорошие
результаты, и металл, из которого он сделан, не играет роли.
Проволока и стерженек, поддерживающие шарик, могут быть
сделаны тоже почти из любого подходящего металла и обычно
имеют диаметр, равный примерно половине диаметра шарика.
Когда сильно ионизующая частица попадает в чувствительную
Рис. 3. Схема типичной конструкции пропорционального счетчика.
1 — латунь; 2 — окошко, закрытое тонкой пленкой целлулоида; 3 — сталь-
ной припаянный к латунной проволоке 0 0,7—0,8 мм шарик 0 1—2 мм;
4 — эбонит; 5 — металлическое охранное кольцо; 6 — к линейному (про-
п орциональному) усилителю.
область, окружающую шарик, то на нем собираются отрицатель-
ные заряды. Полученный им импульс усиливается линейным
усилителем. Поскольку величина собранного заряда действитель-
но пропорциональна первоначальной ионизации, то мы получаем
надежное средство, чтобы различать тяжелые частицы от элек-
тронов. Отверстие счетчика закрывается тонким окошечком из
целлофана, лака или слюды, что дает возможность применять
наиболее подходящие для ионизации газы, притом при понижен-
ных давлениях. Порог необходимой разности потенциалов лежит,
вероятно, между 1500 и 5000 вольт, в зависимости от рода при-
мененного газа, его давления и геометрических параметров
счетчика.
Брубакер и Поллард (Л. VII, 3) изучили влияние состава различ-
ных газов, пользуясь разными видами тяжелых частиц. Они реко-
мендуют применять аргон при давлениях не менее чем в 500 мм
ртутного столба, если имеется налицо фон из у-излучения, в то
время как для а-частиц или опытов с рассеянием протонов,
где у-лучи не имеют серьезного значения, можно применять
260
водород, азот или воздух под давлением между 2 и 10 см
ртутного столба.
Если повышать напряжение на счетчике с маленьким шариком
вместо острия, описанного выше, то можно попасть в область,
отмеченную на рис. 2 буквами C—D, где эффект от всех
частиц практически будет одинаков и для постоянного излу-
чения число отбросов в единицу времени становится почти
независимым от приложенного напряжения. Величина этого
плато" (горизонтального участка графика) зависит прежде всего
от величины распределенной емкости и от сопротивления утечки
счетчика. При приближении к точке D число импульсов при
данном равномерном излучении начинает увеличиваться, а даль-
нейшее повышение напряжения скоро приводит к непрерывному
газовому разряду.
Так как чувствительная область счетчика с острием, ограни-
чена небольшим объемом в непосредственной близости от острия,
то он оказывается наиболее пригодным для тех опытов, в кото-
рых приходится изучать распределение частиц в определенный
промежуток времени в небольшом телесном угле, например при
изучении явления рассеяния.
Счетчик Гейгера-Мюллера
Если возникает необходимость иметь большую площадь,
чувствительную к ионизующим частицам, то острийный счетчик
непригоден и его надо заменить счетчиком Гейгера-Мюллера
(Л. VII, 11) (в дальнейшем мы будем называть его счетчиком Г-М).
Он оказался особенно полезен при изучении космических лучей,
тщ< как позволяет применять трубки с большим поперечным
сечением и таким образом обеспечивает точность, сравнимую
с точностью, получаемой в ионизационных камерах для того же
времени наблюдения.
Преимущества, которые он представляет по сравнению с иони-
зационной камерой, заключаются в том, что при надлежащем ком-
бинировании двух или большего числа счетчиков Г-М (Л. VII, 1)
можно считать частицы, попадающие в прибор только в пре-
делах ограниченных углов, и можно исключить фон, происходя-
щий от загрязнения стенок счетчика и от радиоактивности ок-
ружающей среды (Л. VII, 2).
Особенности режима счетчика Г-М. Некоторые свойства
счетчика могут быть выяснены на основании анализа схемы,
изображенной на рис. 4. Струнный электрометр Е является
самым подходящим индикатором для него при условии, что
счетчик еще достаточно мал, т. е. что число отбросов в минуту
не больше 10—20. Параметры электрической схемы должны быть
приблизительно следующей величины: /?!=109 ом, С =30 см
и /?2== 20 X 10° ом; цилиндр должен быть заряжен отрицательно
ПО отношению к проволоке.
261
Как это представлено на рис. 5, при постепенном увеличении
потенциала V на электрометре не наблюдается никакого эффекта,
пока не будет достигнуто определенное напряжение Vt, назы-
ваемое „порогом напряжения", выше которого уже небольшое
увеличение потенциала вызывает очень быстрое возрастание
числа импульсов в единицу времени, пока это число не сделается
постоянным, не зависящим от напряжения. Крутизна этого воз-
растания в значительной степени зависит от отношения длины
металлической трубки к ее диаметру и от положения центральной
проволоки. Благодаря краевым эффектам сначала делается чув-
Рис. 4. Схема для каче-
ственного изучения ра-
боты счетчика Гейгера-
Мюллера с электрометром
в качестве индикатора
(длина 150 мм, диаметр
25 мм).
° W V vm
В альт bi
Рис. 5. Характеристика
счетчика Гейгера-Мюл-
лера.
ствительной часть трубки посредине. Когда же потенциал воз-
растает, эта активная область распространяется к концам и вскоре
практически вся длина становится чувствительной.
Увеличение потенциала при этом вызывает лишь малые
изменения в счете, пока напряжение не достигает величины Vrn,
которую можно назвать максимальным рабочим напряжением
счетчика. Начиная с него, уже небольшое увеличение напряже-
ния вызывает внезапное возрастание числа импульсов, которые
скоро переходят в непрерывный тлеющий разряд.
„Плато", горизонтальная часть, у хорошего счетчика и с над-
лежащими постоянными цепи может простираться от 200 до 300
вольт и даже больше. Это обстоятельство позволяет получать
со счетчиком Г-М количественные результаты без особых специ-
альных средств стабилизации подводимого напряжения. Счетчик
должен работать при любом промежуточном напряжении V
в этих пределах.
Хотя в счетчике имеются и положительные и отрицательные
частицы, все же действительными, обусловливающими умножение
ионов агентами, вероятно, являются только электроны. Напряже-
ние электрического поля в счетчике больше, чем то, которое
необходимо, чтобы электроны могли образовать новые ионы за
262
Рис. 6. Схема изучения счет-
чика с помощью катодного ос-
циллографа.
счет столкновений, но в то же время оно, вероятно, недостаточно,
чтобы это могли сделать положительные или отрицательные
ионы. Электроны устремляются к проволоке и образуют на
своем пути новые положительные ионы и свободные электроны.
Ток нарастает согласно закону Z== 4 где а есть число новых
пар заряженных частиц, образованных на одном сантиметре
пути, называемое коэфициентом Таунсенда.
Вероятно, вследствие прилипания электронов к молекулам,
образуются также и отрицательные ионы. Процессы ионизации
сопровождаются выделением света, вырывающего новые элек-
троны из поверхности металлического цилиндра, которые в свою
очередь на пути к проволоке и создают новые ионы и электроны.
Кристоф, Ханле и Лохер (Л. VII, 24)
нашли, что этот фотоэлектрический
процесс в механизме разряда также
играет существенную роль.
Процесс нарастания ионизации
продолжается таким образом до тех
пор, пока разность потенциалов между
цилиндром и проволокой не упадет
до величины, при которой ионизация
столкновением становится уже невоз-
можной. Потом разность потенциалов
восстанавливается сама собой в соот-
ветствии с временной постоянной це-
пи R^C, где С—распределенная емкость
и емкость конденсатора связи.
Наилучший способ изучения действия счетчика Г-М— при-
соединение его непосредственно к двум отклоняющим пластин-
кам катодного осциллографа, как показано на рис. 6. Другая
пара пластин осциллографа присоединяется к цепи специального
генератора электрических колебаний, обеспечивающего разверт-
ку времени, частоту которой можно изменять. Если R схемы
подобрано около 109 омов, тогда при постепенном увеличении
потенциала V можно достичь такого значения его, при котором
отклонения электронного пучка в осциллографе будут происхо-
дить через случайные нерегулярные промежутки времени. Это
и укажет, что счетчик Г-М начал считать. Если V будет
возрастать дальше, среднее число импульсов в единицу време-
ни будет оставаться тем же, но величина их, как покажет осцил-
лограф, будет возрастать почти пропорционально возрастанию V.
Таким способом можно проверить, что потенциал, до которого
падает напряжение во время разряда, оказывается только не-
много ниже „порога", при чем действительная величина отклоне-
ния осциллографа приблизительно пропорциональна разности
между приложенным напряжением и порогом напряжения.
Характер разряда должен быть такой, как показано на
рис. 7 а, где Vt обозначает порог напряжения. Счетчики Г-М
263
можно разделить на два основных класса: „быстрые" и „мед-
ленные". Падение потенциала в счетчике протекает в исключи-
тельно короткое время у быстрого счетчика, между тем как
время восстановления зависит от произведения R на С— рас-
пределенную емкость цепи. Если счетчик медленный, то разряд
протекает значительно медленнее, и потенциал может оставаться
вблизи порога относительно долгое время, в некоторых случаях
около 0,2 сек., как это показано на рис. 7 Ь. Когда к нему при-
ближают источник радиоактивности, то время, в течение которого
счетчик находится в состоянии непрерывного разряда вблизи
порога, может значительно увеличиться, так что счетчик по дан-
ным регистрирующей цепи будет казаться мало чувствительным
к радиоактивности или даже имеющим отрицательную чув-
ствительность. В некоторых случаях форма разряда бывает такой,
какая представлена на рис. 7 с. Сначала пробой происходит
Рис. 7. Три типа разряда в счетчике Гейгера-Мюллера,
наблюдаемые с помощью осциллографа.
а—разряд быстрого счетчика; b и с—разряды медленного счетчика.
Длительность импульса в случае а может быть менее 10~® сек.,
а для b и с может достигать 0,2 сек. в очень медленных счетчиках.
быстро, но счетчик не может немедленно восстановиться, и потен-
циал колеблется в широких пределах, пока, наконец, счетчик не
восстановится.
Быстрые счетчики сохраняют форму кривой разряда, по-
казанную на рис. 7 а, если сопротивления R уменьшить
даже до такой низкой величины, как 105 омов. Продолжитель-
ность импульса в этом случае будет всего около 10~5 сек.
Однако хорошие счетчики не перестают работать даже в том
случае, если сопротивление R взять слишком малым, например
около 4000 омов. Тогда ширину импульса на осциллографе из-
мерить не легко, так как она должна быть меньше Ю-6 сек.,
если величина С взята около 25 микромикрофарад.
Счетчики с такой малой постоянной времени имеют важное
применение в таких исследованиях, где требуется производить
измерения при больших скоростях счета или когда число слу-
чайных импульсов в схеме совпадений должно поддерживаться
минимальным.
264
В действительности, обычно необходимо иметь только два
счетчика Г-М в схеме совпадений, потому что, как будет пока-
зано. ниже, если каждый из двух счетчиков считает в среднем
3 раза в секунду, то при импульсе продолжительностью в 10 ~5 сек.
в среднем в день будет происходить только 16 случайных
совпадений импульсов.
Полного объяснения действия этих счетчиков мы дать пока
не можем, но, невидимому, главными агентами, вызывающими
импульс, являются электроны, а не отрицательные ионы, так
как последние имеют слишком малую подвижность, чтобы быть
собранными в такие короткие промежутки времени.
В медленном счетчике имеется замедляющее действие неиз-
вестной природы, и заряды собираются лишь в течение отно-
сительно продолжительного периода времени. Кажется веро-
ятным в этом случае, что отрицательные ионы так же, как
и электроны, собираются на центральной проволоке.
Как мы сейчас увидим, поверхность цилиндра имеет суще-
ственное влияние на действие счетчика. Среди возможных физи-
ческих свойств, которые влияют на действие счетчика и могут
быть изменены обработкой, следует упомянуть: 1) о работе вы-
хода с поверхности, которая обусловливает ее фотоэлектриче-
ские свойства, и 2) об электрическом сопротивлении поверхности
металлического цилиндра.
В настоящее время, как уже было упомянуто, еще очень
мало известно о механизме действия счетчика.
Однако относительно обработки поверхности необходимо иметь
в виду, что именно она дает счетчикам очень важное свойство
создавать исключительно короткий импульс. Эта обработка, ко-
торую мы ниже опишем, не всегда необходима. Действительно,
счетчики с простыми медными цилиндрами, которые не подвер-
гались никакой обработке, работали хорошо с сопротивлением
в 105 омов. В настоящее время нет такого правила, по которому
можно было бы предсказать, будет ли счетчик иметь короткое
время срабатывания или нет. Единственный способ проверки —
это испытание счетчика в схеме, изображенной на рис. 13. Если
он не будет работать, осциллограф покажет, что при потенциале
немного выше порога счетчик разряжается один раз и затем
остается в состоянии постоянной проводимости.
Конструкция счетчиков Г-М
Счетчик Г-М сделать несложно; для этого надо взять медную
или латунную трубку длиной примерно в пять-шесть раз больше
ее диаметра, закрыть ее концы втулками из эбонита и через эти
втулки, по осп цилиндра, пропустить прямую проволоку от 0,1
До 0,2 мм в диаметре (рис. 8), при чем безразлично, из какого
металла сделана эта проволока; вольфрам или медь дают доста-
точно хорошие результаты. Все должно быть герметически за-
265-
крыто, и давление газа уменьшено до 3—6 см ртутного столба.
В качестве наполняющего газа можно взять воздух или смесь
воздуха с одним из благородных газов, лучше всего с аргоном.
Изготовленный подобным образом счетчик может удовлетво-
рительно работать в течение некоторого времени, но он не при-
способлен для постоянной работы в течение долгого времени.
Даже если трубку сделать совершенно непроницаемой, что само
по себе довольно трудно, он все-таки имеет недостатки, обусло-
вленные высоким температурным коэфициентом. Куртисе (Л. VII, 5)
показал, что у счетчика, имеющего эбонитовые втулки, счет при
Рис. 8. Простейшая конструкция счетчика Гейгера-Мюллера.
1 — замазка; 2 — медная трубка (0 25 мм, длина 150 мм); 3 — к
вакуумному насосу; 4 — края пробки из розового каучука;
5— вольфрамовая проволока 0 0,5 мм.
повышении температуры понижается, указывая на увеличение
давления газа, вызываемое, вероятно, выделением газов из эбони-
та. Практически этот температурный коэфициент может быть
полностью устранен, если металлическую трубку запаять внутрь
стеклянной и сделать металлические вводы из вольфрамовой
проволоки, впаянной в стекло.
Детали устройства такого счетчика показаны на рис. 9. Удо-
Рис. 9. Типичная конструкция медного счетчика в стекле.
По этой типичной схеме счетчики делают 0 от 5 до .100 мм,
а длиной 150 мм.
1—медная трубка (длина 150 мм); 2 — вольфрамовая проволока 0 0.5 мм;
3 — капилляр для отпаивания после откачки и чаполнения сухим воздухом
или смесью аргона с воздухом.
нлетворительно работавшие в нашей практике счетчики та-
кого типа с заделанной в стекло медной трубкой имели в диа-
метре от 0,5 до 10 см.
266
После того как счетчик собран, в него надо налить концен-
трированный раствор азотной кислоты (12—-16-нормальный)
и оставить в течение 10 — 20 сек., чтобы кислота сильнее
подействовала на медь. Затем кислоту выливают, и счетчик тща-
тельно промывают дестиллированной водой. После такой обра-
ботки медь принимает темный, почти черный, цвет, который,
вероятно, обязан наличию тонкого слоя СпО. Затем счетчик надо
высушить, откачать и наполнить желаемым количеством газа.
Состав и количество газа определяют до известной степени
и действие счетчика. Вполне удовлетворительные для многих
целей счетчики получаются, если в качестве газа применяют
воздух при давлении 3 — 6 см ртутного столба.
При том же общем давлении смесь аргона с 10 — 20% воз-
духа дает порог ионизации примерно на 40% ниже, чем один
воздух. Однако, пожалуй, смесь воздуха с аргоном едва ли об-
ладает большим преимуществом по сравнению с чистым воз-
духом.
С чистым аргоном счетчик не работает. Порог напряжения
для счетчика, имеющего в диаметре 2,5 см и нить толщиной
0,25 мм, наполненного смесью аргона (давление 5 см ртутного
столба) с воздухом (давление 1 см), оказывается равным пример-
но 800 вольт. Этот же счетчик, наполненный воздухом до того
же общего давления, имеет порог около 1200 вольт.
Счетчики, изготовленные согласно изложенным выше указа-
ниям, будут, вообще говоря, медленными счетчиками, так как
время собирания ионов для них будет порядка 0,1 до 0,01 сек.
Такие счетчики следует признать вполне удовлетворительными
для многих целей, где не требуется особенно короткое время
реакции. Они могут включаться по обычной гейгеровской схеме,
изображенной на рис. 12, или, когда желательно избежать примене-
ния высокого сопротивления, в нее можно включить добавочную
радиолампу, чтобы помочь счетчику восстановиться, как показано
на рис. 14 и 15.
В случае, если желательно сделать быстрый счетчик, т. е.
такой, в котором время собирания ионов должно быть порядка
10~5 сек., необходима особая дополнительная обработка медно-
го цилиндра. Способ обработки, который будет описан ниже,
является лишь одним из нескольких возможных способов изго-
товления быстрых счетчиков. Таким образом, счетчик, подверг-
шийся правильной обработке, должен иметь следующие данные:
1) Порог рабочего напряжения должен быть столь же низок, или
еще ниже, чем у необработанного счетчика того же размера,
наполненного смесью аргона и воздуха при том же давлении.
2) Длина „плато" (горизонтальной части кривой, см. выше) дол-
жна составлять по меньшей мере 30% от потенциала порога
напряжения. 3) Счетчик должен работать в схеме, представлен-
ной на рис. 13, с сопротивлением лишь в 100 000 ом, включен-
ным последовательно с высоким напряжением, вместо 109 омов,
267
необходимых для медленного счетчика. 4) Эффективность (вели-
чина) импульса должна быть высокая.
При условии усиления импульсов эффективность счетчика
размером в 70 мм при быстроте счета 30000 в минуту рав-
няется 100% в пределах экспериментальной ошибки, которую
можно принять равной 1%.
Способ изготовления такого быстрого счетчика следующий:
1. Нужно взять готовый счетчик, сделанный из медного цилин-
дра в стекле и вольфрамовой проволоки, и тщательно протравить
(„отбейцовать") примерно 6-нормальным раствором азотной кис-
лоты. Для быстрого втягивания и удаления растворов необходим
водяной насос (аспиратор). Кислота такой концентрации делает
медь очень блестящей.
2. После тщательного прополаскивания следует набрать
в счетчик 0,1-нормальный раствор азотной кислоты. Он уда-
ляет все соединения меди, образовавшиеся в более крепкой
кислоте.
3. Затем счетчик необходимо тщательно прополоскать (по
меньшей мере 10 раз) дестиллированной водой и высушить.
4. Весь счетчик, с сухим воздухом внутри, нужно прогревать
в большом пламени, пока медь не примет однородную коричне-
вато-черную окраску.
5. Затем нужно временно отпаять счетчик, чтобы прогреть
его в течение нескольких часов при температуре около 400е С.
После охлаждения медный цилиндр окажется покрытым равно-
мерной яркокрасной закисью Си2О.
6. Потом нужно счетчик хорошо откачать и наполнить сухим
газом NO2 до давления в 1 атмосферу. (Этот газ приготовляют
действием 16-нормальной азотной кислоты на медь; его можно
высушить пропусканием через СаС12 и Р2О5.)
7. Прогревать счетчик с NO2 нужно до тех пор, пока Си2О
не примет черный бархатный цвет.
8. После этого можно в него ввести аргон (технический) чи-
стотой 99%, который нужно пропустить пузырьками сквозь кси-
лен под давлением 6—10 см ртутного столба. На этом этапе
счетчик нужно испробовать. Для счетчика размером в 25 мм при
давлении 8 см ртутного столба порог должен быть при 600—800
вольтах. Если счетчик не работает надлежащим образом, следует
выкачать газ и вновь наполнить газом с большим количеством
аргона, который должен обязательно в форме пузырьков пройти
через сосуд с ксиленом.
9. Если счетчик работает удовлетворительно, его можно
отпаять.
Хотя не все описанные выше этапы изготовления счетчика
являются безусловно необходимыми во всех случаях, все же
было найдено, что именно такая методика дает возможность по-
строить наиболее удовлетворительные счетчики, имеющие время
реакции КГ’сек. или даже меньше. Параметры таких счетчиков
2с8
как будто бы остаются более постоянными. Вероятно, при этой
обработке радикально изменяются как фотоэлектрические свой-
ства, так и электрическое сопротивление поверхности меди.
Применение катодного осциллографа совершенно необходимо
при изучении и контроле действия счетчика.
Описанная выше обработка возможна только для счетчиков,
состоящих из медного цилиндра в стекле, но до сих пор не най-
дено еще способа, применимого ко всем счетчикам.
Чувствительность счетчиков к ионизующим частицам
Если три идентичных счетчика, расположенные один над дру-
гим так, что их оси параллельны и горизонтальны, присоеди-
нить к схеме (см. стр. 286), отвечающей только на совпадение
между тремя счетчиками, тогда при удалении среднего из них
в сторону от линии, проходящей через середины крайних
(рис. 10 о), количество импульсов будет резко падать,
и, за исключением крайних импульсов,
производящих лишь небольшой эффект,
число отсчетов становится равным нулю,
когда средний счетчик сдвинется настоль-
ко, что одна и та же частица уже не бу-
дет в состоянии проходить сквозь все
три счетчика.
Те импульсы, которые в этой схеме
регистрируются, получаются при усло-
вии, когда все три счетчика находятся
на одной линии и работают лишь от
космических лучей, проходящих сквозь
все три счетчика. Стрит и Вудворд (Л. VII,
34), сравнивая число таких тройных им-
пульсов с числом, обусловленным двой-
ным совпадением между двумя крайними
счетчиками, показали, что у счетчиков
с диаметром 3,82 см эффективный диаметр такой же, как и гео-
метрический.
Подобным же образом при повороте среднего счетчика на 90°
(рис. Ю б) и при передвигании его параллельно его оси можно
оценить распределение чувствительности счетчика вдоль его
оси. В условиях реальной работы у счетчика, геометрическая
for113 КОТоРого была 13 см, эффективная длина оказалась всего
10,5 см. Различие длин, вероятно, зависит как от геометрии при-
бора, так и от приложенных потенциалов.
Совокупность счетчиков Г-М, расположенных по вертикаль-
ной линии и соединенных для счета совпадений, является хоро-
шим средством для оценки эффективности счетчика. Если средний
счетчик имеет 100°/о-ную эффективность, т. е. если он действительно
отвечает на все космические частицы, проходящие сквозь край-
Рис. 10. Испытание чувстви-
тельности отдельных частей
счетчика при разных поло-
жениях.
269
вне счетчики, тогда при надлежащем учете и исключении слу-
чайных совпадений, когда средний счетчик выключен, должно
получиться столько же отбросов, сколько их наблюдается, когда
он включен. (При этом счетчик не следует удалять, чтобы коли-
чество поглощающего вещества не изменилось.) Сравнивая число
отбросов в этих обоих случаях, можно получить меру фактиче-
ской эффективности счетчика. Хороший счетчик должен иметь
эффективность по меньшей мере 95%.
Существенно, чтобы в схеме на совпадения эффективность
счетчиков была возможно более высокая, в противном случае
число отмеченных импульсов сильно уменьшится. Есл'и эффек-
тивность каждого из п счетчиков равна е, то число совпадений
будет составлять только е” от числа, которое было бы сосчитано,
если бы они имели эффективность 1О0°/о.
Счетчики Г-М специального назначения
Счетчик, изображенный на рис. 9, очень хорошо отвечает
требованиям при работе с космическими лучами, так как это
излучение легко проникает сквозь тонкие стенки. Для других
видов излучения необходимы более эффективные или специаль-
ные конструкции. Некоторые из них мы вкратце опишем.
Дня измерения р-лучей при атмосферном давлении можно
применять острийный счетчик, описанный на стр. 258. В этом
случае не встречается затруднений для проникания частиц в счет-
чик. В том же случае, когда предпочтителен цилиндрический
счетчик, имеются две возможности: 1) в счетчике, обычно на одном
его конце, можно сделать тоненькое окошечко или же 2) если
источник Р-лучей можно поместить в камеру, где давление
можно понизить до рабочего давления счетчика, металлический
катод его можно изготовить из очень тонкого материала. В ка-
честве иллюстрации последнего способа можно привести опыты
Смита и Геммендингера (Л. VII, 33). Они измеряли активность
изотопа калия 40, применяя счетчик с алюминиевыми стенками
толщиной 0,0254 мм и создавая давление воздуха 5,6 см ртутного
столба во всем приборе после того, как там было собрано опре-
деленное количество изотопа калия.
Вышеописанный метод измерения р-лучсй применим столь
же хорошо и для а-частиц или других тяжелых заряженных
частиц, но при этом окошки должны быть сделаны из еще более
тонкого материала, вследствие больших потерь энергии, испыты-
ваемых этими частицами при проникании их сквозь слой веще-
ства. Однако для обнаружения таких тяжелых частиц лучше
воспользоваться пропорциональным счетчиком (стр. 259) или линей-
ным усилителем „Вин-Вильямса“ (Л. VII, 38,6) в том виде, какой
был разработан Денингом, так как тогда влияние других иони-
зирующих агентов становится ничтожным.
Для обнаружения у-лучей желательно как можно больше
270
величить число вторичных электронов, испускаемых стенками
металлического цилиндра под действием излучения. Как указали
Эванс и Мюжиль (Л. VII, 8,9), испускание вторичных электронов мо-
жет быть увеличено: 1) применением в качестве материала для
катода одного из тяжелых элементов, например платины, который
увеличивает поглощение у-лучей в стенках и дает больше вто-
оичных электронов, и 2) увеличением поверхности металла, обра-
зующего цилиндр, или посредством рифления ее, или применяя
экран из мелкой сетки. Этими двумя способами можно увеличить
число импульсов в два раза по сравнению с простым медным
электродом.
Польза, которую приносят счетчики при измерениях различ-
ных излучений, иллюстрируется работой Поля и Фэслера (Л. VII,
28), которые показали, что для измерения интенсивности опре-
деленного вида излучения спектральной линии AgK^ потребова-
Рис. 11. Счетчик для изучения фотоэффекта.
1 — притертое кварцевое окошко (на замазке); 2 — маленький металли-
ческий пшрнк; 3 — медная трубка; 4 — стенка; 5 — вольфрамовая проволока.
лось со счетчиком Г-М только несколько минут, в то время как
для фиксирования того же вида излучения была необходима
экспозиция лауевской рентгеновской пленки в течение 100 час.
Когда свет определенной частоты падает на внутреннюю
стенку металлического цилиндра счетчика, из нее освобождаются
фотоэлектроны. Получаются своеобразные Г-М фотоэлементы,
которые в последнее время сделались надежным средством для
обнаружения очень слабых излучений. Металлы, из которых де-
лают цилиндры в обычных счетчиках, имеют порог фоточув-
ствительности ниже области пропускания стеклом и поэтому не-
чувствительны к свету, падающему на них. Из металлов этого
типа может быть сделан счетчик, чувствительный к ультрафио-
летовым лучам от 1800 А до порога чувствительности металла,
если к .нему приклеить кварцевое окошко на одном конце сте-
клянной трубки, как показано на рис. 11. Центральная вольфра-
мовая проволока должна быть тогда достаточно толстой, чтобы
не изгибаться при закреплении ее только за один конец. Сво-
бодный конец ее должен оканчиваться маленьким шариком, что-
бы избежать разрядов на острие.
Трубка, окружающая металлический цилиндр, может быть
полностью сделана из кварца. При этом, конечно, для ввода про-
271
волок надо применять переходные стекла для впаивания стекла
в кварц.
Кривые спектральной чувствительности счетчикое, имеющие
алюминиевые, цинковые, кадмиевые, железные й медные катоды,
в области от 4000 А до 2540 А были получены Крейхеном (Л. VII,
21, 22). Он нашел, что во всех случаях они соответствуют кривым
для тех же металлов в обычных фотоэлементах. Исследуя три ме-
талла — цинк, кадмий и медь — в толстых слоях, Крейхен нашел,
что чувствительность увеличивалась при активировании поверх-
ности водородом; но когда эти металлы наносились испарением,
они не обнаруживали увеличения чувствительности при обработке
водородом. Фотоэлектрический выход активированного массив-
ного металла и металла, полученного испарением, оказался одина-
ковым.
До сих пор очень мало работ посвящено изучению этим ме-
тодом катодов из металлов, чувствительных к видимой части
спектра. Лохер (Л. VII, 23), работавший над этой проблемой, стал
делать счетчики с цилиндрами из различных металлов. Он изучал
чувствительность в ультрафиолетовой и видимой части спектра
как у чистых металлов, так и у металлов, покрытых красками
и другими веществами. Колину (Л. VII, 20) удалось испарить
натрий, магний и кальций на металлический цилиндр счетчика
и получить таким способохм высокую чувствительность его в ви-
димой части спектра.
В настоящее время Кристофу (Л. VII, 4) принадлежат наиболее
обширные исследования этой проблемы. Покрывая поверхность
с помощью испарения кальцием, он определил параметры счет-
чика для ультрафиолетового и для видимого света и нашел, что
можно добиться постоянства в отсчетах, если дать счетчику воз-
можность „состариться".
Невидимому, в настоящее время фотоэлектрические счетчики
типа Г-М для обычных работ считаются менее надежными, чем
фотоэлементы, но благодаря предельной, достигаемой с ними чув-
ствительности счетчики эти являются очень полезными для спе-
циальных научных исследований.
Методы определения числа импульсов
РёзерфордОхМ (Л. VII, 31) и его сотрудниками для счета частиц
в среднем до 1000 в минуту с успехом применялся струнный элек-
трометр, при чем движение нити фиксировалось на фотографиче-
ской пленке. Этот метод имеет ряд преимуществ в силу своей про-
стоты; однако он позволяет считать относительно малое число
импульсов из-за инертности электрометра. Кроме того, недоста-
ток этого электрометра заключается в том, что отбросы его
нельзя видеть непосредственно. Обычным способом счета
в настоящее время является применение для этой цели усили-
тельных устройств различных типов с вакуумными и газовыми
272
лампами, которые в конечном итоге могут приводить в действие
механический счетчик.
Обычная схема для такого счетчика, в ее простейшем виде,
представлена на рис. 12. Смещение на сетке первой лампы
таково, что анодный ток только частично заперт. Зато смеще-
ние на второй лампе должно быть таково, чтобы оно почти
полностью задерживало анодный ток. Когда ионизирующая частица
проходит сквозь счетчик, проволока собирает отрицательный
заряд, который заряжает отрицательно сетку лампы Tv Анодный
Рис. 12. Стандартная схема для регистрации импульсов, да-
ваемых счетчиком Гейгера-Мюллера.
/?, = 0,5 до 5 X10’ Rs = 5 X Юв 2; R3 == 0.5 X Юв S; Rt = ЗС(П 2; /?8 =
=,10* 2; /?в = 2 X К)3 2; Rf= Ю® Й; /?е = 2000 2; (\ = от 30 ДО 50 р.р.Г;
Са = 10~3 p.F; С3 = С4 = 0,1 p.F — для низких напряжений; К — меха-
нический счетчик с высоким импедансом; Vt — порог счетчика = 100 вольт;
лампы Т\ пентод 57 и Т3 — 2А5.
потенциал 7\ возрастает, заставляя таким образом сетку лампы Т2
заряжаться положительно. Через Т2 проходит ток и, если заряд
достаточен, срабатывает механический счетчик К-
Значение Ru которое оно должно иметь, чтобы счетчик
работал надлежащим образом, будет зависеть от свойств счет-
чика. Для очень медленного счетчика, т. е. такого, для которого
требуется продолжительное время для собирания заряда, необ-
ходимо взять R (очепь большим, порядка 5 X Ю9 омов. Если
счетчик быстрый, т. е. если он дает короткий импульс, то Rx
может быть более низким, порядка 105 омов, а в некоторых
случаях может быть доведено до 4 х 103 омов. Для исключи-
тельно коротких продолжительностей срабатываний длитель-
ность импульса, проходящего через усилительную вторую лампу,
будет слишком коротка, чтобы лампа вакуумного типа, например
американская лампа 2А5, могла бы пропустить достаточное коли-
чество электричества для срабатывания механического счетчика.
Ь таких случаях необходимо применять или схему, затягивающую
импульс, вроде схемы мультивибратора, которая будет опи-
сана ниже, или ионную лампу, например американский тира-
18 Стронг 972
трон 885. Схема, имеющая автоматическое сеточное смещение
и специально рассчитанная для быстрого счетчика с применением
тиратрона 885, изображена на рис. 13. Действие второй половины
этой схемы будет описано ниже.
Почти любой счетчик можно заставить считать автоматически,
если применить вакуумную электронную лампу американской
марки 57 или 6С6, чтобы гасить в счетчике Г-М разряд. Зависи-
мость анодного тока от потенциала сетки у этих ламп делает
их исключительно подходящими для работы этого типа. Отрица-
тельное напряжение 4112 вольта на контрольной сетке доста-
точно, чтобы блокировать напряжение на аноде до 1500 вольт,
Рис. 13. Схема специально для быстрого счетчика. Сопротив-
ление, включаемое последовательно со счетчиком, должно быть
значительно меньше, чем обычно. Вследствие краткости им-
пульсов применяют на выходе тиратрон, чтобы усилить чет-
кость записи. Лампы: первая 1\ пентод 57, вторая Г2 тиратрон 885.
= /?а = 7?3 = 7?6 = /?7 = Ю5й; 7?4 = 2000й; /?, = 4Х106Й; ₽й=10‘ S;
= 7,5 X S; С, = 50 (J.p.F; Cs = С9 — 0,1 p.F; С4 = 10~4 рЛ; С5 = 0,2 до
1 pF; К — механический регистрирующий прибор с высоким импедансом;
V — порог счетчика 4- 100 вольт.
если к экранирующей сетке приложено 45 вольт. При этом
можно не применять такого большого сопротивления, какое ставят
в обычной схеме, а также можно сильно увеличить эффектив-
ность при больших скоростях счета.
Это можно осуществить с помощью нескольких типов
схем. Первая (Л. VII, 25) изображена на рис. 14. В ней цилиндр
счетчика непосредственно присоединен к сетке первой лампы,
в то время как потенциал, приложенный к нити, присоединен
так же к аноду лампы через сопротивление /?2. Связь со сле-
дующей лампой осуществлена при помощи обычного конденса-
тора. В этом случае получается импульс уже достаточно боль-
шой, чтобы можно было применить небольшую емкость Q по-
рядка KF5 микрофарад, вместо 10-3 4 микрофарады, которые
применяются для связи в обычной схеме.
274
Действие схемы может быть вкратце объяснено следующим
образом. Смещение на сетке электронной лампы таково, что
в ней течет очень маленький анодный ток. Все напряжение V,
тогда распределяется между лампой и счетчиком. Когда иони-
зирующая частица проходит сквозь счетчик, положительные
заряды, собранные при этом цилиндром, снижают отрицательный
заряд сетки. Усиливается анодный ток, что вызывает падение
потенциала на R2. Когда это падение станет достаточно велико,
разряд в счетчике погаснет, и схема сама восстановится. Вос-
становление происходит очень быстро благодаря малым значе-
ниям емкости и сопротивления. С такой схемой оказалось воз-
можным считать случайные импуль-
сы в числе до 105 в минуту и, невиди-
мому, лишь с небольшим про-
центом пропусков.
Рис. 15. Новая схема включе-
ния, облег чающая погасание раз-
ряда в счетчике. Так как в цепи
сетки нет практически смеще-
ния, то все напряжение V по-
лучается на сопротивлении /?2,
т. е. на зажимах счетчика.
/?, = 5 X ic-6 и; /?а = юв е; И = 45
вольт; V — порог счетчика Д-100 вольт;
С = от 50 до 100 ppF. На выходе отри-
цательный импульс.
Рис. 14. Схема включения медлен-
ного; или быстрого счетчика с
небольшими сопротивлениями.
Электронная лампа типа 57 помо-
гает счетчику Г-М погаснуть.
R, = ОТ 2ХЮ6 до ЮХ 10е S; = 2 X 1°°
С = от 50 до 100 p-p-F, высоковольтный
конденсатор с минимальной утечкой;
—порог счетчика + 100 вольт. На вы-
ходе отрицательный импульс.
Импульс на вторую лампу будет отрицательный. Это озна-
чает, что анодный ток в этой лампе должен течь непрерывно,
за исключением времени, когда она получает этот импульс.
Если желательно управлять током в мощной лампе, то для
накопления мощности лучше всего применить в качестве второй
лампы лампу американского типа 27, включенную между Тх
и Т2, чтобы таким образом изменить направление импульса.
Однако надо заметить, что отрицательный им-
пульс, даваемый этой схемой в первом ее вариан-
те, как раз таков, какой нужен для работы сме-
18*
275
дающая напряжение на
Рис. 16. Схема с автомати-
ческим смещением на экран-
ной сетке схемы рис. 15.
Она принимает и положи-
тельные импульсы, если
включено сопротивление /?5.
f?1=5X106e; = 7?3 =
= 0,2 ХЮ6 В. /?4 = 0,5Х 106Q;
= 0,2 X1062; С1 = С2=от 50 до
100 p-pF; С3 = 0,1 |J.F; V — порог
дщ, счетчика 4- ЮС вольт.
На С, положительный импульс.
На С2 отрицательный импульс.
Лампа типа 57.
сительных ламп в тех случаях, когда при помо-
щи их требуется сосчитать число совпадений им-
пульсов в двух или в нескольких счетчиках.
Другой метод применения электронной лампы заключается
в том, что лампа дает возможность счетчику Г-М быстро вер-
нуться в свое исходное состояние. Схема для этого метода пред-
ставлена на рис. 15.
Нужно заметить, что на сетку не должно быть приложено
никакого напряжения, так что падение напряжения на всей
лампе должно составлять всего лишь несколько вольт. Таким
образом, катод, сеточное сопротивление, добавочная батарея,
экранирующую сетку, и т. д. должны
находиться при высоком положительном
потенциале. Это обстоятельство застав-
ляет держать нить счетчика также при
высоком положительном потенциале. Если
этот потенциал выше, чем величина по-
рога счетчика, то, когда ионизирующая
частица проходит сквозь счетчик, на
сетке скапливается отрицательный заряд,
запирая тем самым ток через лампу. Это
дает возможность потенциалам катода,
сетки и т. д. быстро выравниваться до
исходного значения. Как скоро потенциал
на счетчике упадет ниже значения вели-
чины порога и отрицательные заряды
потекут через сопротивление так
сетка станет опять управлять анодным
током, цепь быстро восстановится, и вся
система будет готова для принятия сле-
дующего импульса.
Не трудно убедиться, что импульс,
принятый от цепи (рис. 15), — отрицатель-
ный. Если желательно получить положи-
тельный импульс, то в анодную цепь
можно включить сопротивление порядка
2 X 105 ом; от него по схеме рис. 16
к следующему каскаду можно подвести
положительный импульс. Если в допол-
нение к этому желательно устранить
батарею питания экранной сетки, то можно воспользоваться секци-
онированным сопротивлением, включенным как показано на рис. 16.
Если это сопротивление поместить между высоковольтным
источником питания и катодом, то появится вполне определен-
ная конечная точка на горизонтальном участке характеристики
счетчика, так как потенциал на счетчике не может упасть ниже
ъ
некоторого значения, определяемого отношением Соответ-
«2
276
Рис. 17. Конструкция одного из больших счетчиков, собранного
но схеме рис. 15.
1—колпак из пирекса; 2 — замазка; 3—латунное кольцо толщиною 3 мм; 4__
музыкальная струна 0 0,8 мм; 5 — аргон технический при давлении в 70 мм рт.
ст.; 6 — латунное кольцо толщиною 3 мм; 7 — колпак из пирекса; 8 — замазка;
» —место усилителя (см. рядом); 10 — сопротивление; 11 — разделительный транс-
форматор; 12 — сопротивление; 13 — конденсатор высоковольтный 50 p.p.F; 14 —
конденсатор; 15 — бакелитовый диск; 16 — две батареи по 221/. вольта; 17 — сопро-
тивления; 18 — пятиштырьковая вилка для присоединения кабеля; 19—высоко-
вольтная изоляция; 20 — диск из латуни; 21 — замазка; 22 — гайки; 23 — пружинка;
*4 медная трубочка 0 4 мм к Эвакуационной установке, сжатая и облуженная
изнутри припоем для запаивания.
А — футляр — медная труба; Б — детали усилителя.
ственно этому, если высокое напряжение возрастет до такой сте-
пени, что его минимальное значение будет выше величины
порога, счетчик не сможет погаснуть. Преимущества этой
цепи, по сравнению с предыдущими, следующие: цилиндр счет-
чика заземлен; это означает, что в экранировании его нет надоб-
ности, и его изоляция теряет свое исключительное значение.
Для счетчиков больших размеров продолжительность срабаты-
вания оказывается меньше, так как в этом случае основную
роль играет емкость нити, которая, вообще говоря, мала. В этой
схеме можно снимать как положительный, так и отрицательный
импульсы. Потенциал на вводах электронной лампы не так велик.
Недостатки этой схемы следующие: необходимо применять
тщательную изоляцию батареи накала электронной лампы. Высоко-
вольтная батарея должна непрерывно давать ток силой от 0,5
до 1 миллиампера.
Последняя схема применялась успешно в работе с косми-
ческими лучами с большими счетчиками.
Так как число отбросов для данного телесного угла, опираю-
щегося на отверстия счетчиков, работающих на совпадение, про-
порционально площади счетчиков, то имеет смысл увеличивать раз-
меры трубок счетчиков. По этим соображениям были сделаны опыты
применения медных трубок длиною 1,5 м и с толщиною стенок
равной 1,5 мм. Внутри в одном из концов такой трубки на участке
в 300 мм были смонтированы две электронные лампы. Конструк-
ция всего прибора изображена на рис. 17. Концы трубки были
закрыты колпачками чашеобразной формы из стекла пирекс.
Технический аргон (99% чистоты) служил для наполнения трубки
счетчика до давления равного? см ртутного столба. Число отсче-
тов этого счетчика, обусловленное космическими лучами, радио-
активностью в самом счетчике и в окружающих предметах,
составляло 100 разрядов в секунду. Он позволял разрешать про-
межутки времени до 2 X 10~5сек. при сохранении тех параметров
отдельных частей, которые представлены на рис. 15. Это озна-
чает, что с тремя счетчиками, размещенными в горизонтальной
плоскости, случайные совпадения давали лишь 5 разрядов в час.
Из-за короткой продолжительности отдельных импульсов, при
условии применения в предыдущих схемах усилительной лампы,
указанной на рис. 12, очень трудно привести в действие механи-
ческий счетный прибор. Проще применить газонаполненные
лампы типа тригер, какими являются американские лампы с арго-
ном 884 и 885 или ртутные тиратроны. Первые дешевы и имеют
более короткое время деионизации, а поэтому их следует пред-
почесть последним. Каждая из этих ламп в проводящем состоя-
нии имеет очень малое анодное сопротивление. Когда сетка у них
заряжена отрицательно, то практически никакого анодного тока
не будет, и сопротивление станет равно бесконечности. Но как
только сеточный потенциал возрастет до определенного значения,
начнется газовый разряд, и сетка полностью теряет управление.
278
Если последовательно с анодом включить сопротивление, то паде-
ние напряжения внутри лампы становится приблизительно рав-
ным потенциалу ионизации газа, т. е. приблизительно равным
17 вольт в случае наполнения лампы аргоном. Разряд можно
прекратить, снижая напряжение на аноде ниже потенциала иони-
зации газа в течение нескольких микросекунд.
Одним из наиболее удачных методов для применения такой
лампы служит схема, предложенная Пикерингом (Л. VII, 27)). Эта
схема представлена на рис. 13 и 18 В, на которых способ гаше-
ния разряда, описанный выше, изображен со схемой, приводя-
щей в действие механический счетчик. Сетка лампы типа 885
автоматически сама поддерживает напряжение чуть-чуть ниже
того значения, при котором она может еще сохранять управле-
Рис. 18. Схема (рис. 16), приводящая в действие записывающую
схему с автоматическим смещением: А первая лампа 7-57
и В вторая /'-885.
Р, = 5 X 10® 2; Ра = 10е 2; ₽3 — = /?в = 0,5 X 10е й; /?5 = 0,25 X Ю6 S; Р7 = Ю4 2;
/?8 — сопротивление, ограничивающее силу тока; Р9 — 8Х Ю4 2; С, = 50 ppF; С2 =
= 0,2 pF; Ct =0,1 pF; —порог счетчика-}-100 вольт; V2 = 250 вольт;
К — механический самописец с высоким сопротивлением.
ние лампой. Если положительный импульс от цепи А вызовет
газовый разряд в лампе В типа 885, то через механический счет-
чик К пойдет ток, который заставит счетчик сработать. Если же
ток будет идти непрерывно, то емкость С2 разрядится, и потен-
циал катода будет стремиться сравняться с потенциалом анода.
Несмотря на это, сетка будет сохранять потенциал, близкий
к потенциалу земли, так что эффективное сеточное смещение
делается весьма большим. Когда оно' достаточно возрастет,
а падение напряжения на лампе станет достаточно малым,
газовый разряд прекратится, и цепь вернется в свое нормаль-
ное состояние.
279
Величину С2 можно изменять и подобрать так, чтобы общий
импеданс механического счетчика прибора К достиг нужной
величины. Для того чтобы обеспечить разрешение очень малых
промежутков времени, все же С, должно быть по возможности
мало. В зависимости от величины импеданса К, сопротивление
/?8 можно вовсе выключить из схемы. Во всяком случае мгновен-
ный ток через лампу типа 885 не может превышать 0,3 ампера. Раз-
решаемые промежутки времени у такой цепи бывают обычно зна-
чительно короче, чем время срабатывания механического счетчика.
Другой метод получения импульса более длительного, чем
первоначальный, состоит в применении самописца вместе с так
называемой схемой мультивибратора. Эта схема на выходе дает
волну прямоугольной формы, при чем напряжение на аноде бывает
почти равно приложенному потенциалу. Длительность импульса
на выходе не зависит от длительности импульса на входе
при условии, что последняя остается короче, чем естественная
длительность импульса в самом мультивибраторе, обусловленная
его временной постоянной.
Эта собственная длительность импульса схемы зависит главным
образом от емкости обратной связи С4, указанной на рис. 19.
Рис. 19. Схема с мультивибратором (на входе отрицательный
импульс)
Для средней отдаваемой мощности
T, — лампа типа 6С6; Т2 — лампа типа 41; /?, ~ /?2 = р5 = 10® 2; /?8 = 0,5 X
X 10е 2; Т?4 = 6 X К)12; /?в =: от 0 до 1,5 X Ю* в зависимости от само-
писца К; /?7=10® 2; С,=от 103 до 10 4 pF; G> = С3 = 0,1 pF (400 вольт);
С4= от 10—2 до 10 4 pF (см. текст); К — самописец механический, с вы-
соким импедансом; V, = 3 вольта; К2 = 60 вольт.
Для большой отдаваемой” мощности
Ti — лампа типа 6А4; Тг — лампа типа 6L6; /?, = Р-> = 105 2; =0; =
= 10* 2; /?5 = 5 X Ю4 2; Ре = от 0 до 1000 2 в зависимости от самописца К;
Я7 = 10® 2; С, от = 10—3 до Ю”4 pF; Са=0; Cs=i0,5 pF (400 вольт);
Ct — 10г~2 до 10-4 pF (см. текст); К — самописец с низким импедансом
К1 = 11 вольт; У2 = 45 вольт.
Количество электричества, протекающее в течение одного
импульса, можно сделать вполне достаточным для того, чтобы
заставить сработать механический счетчик американского типа
Ценко („Сепсо") или любой другой счетчик с большим или
280
с малым импедансом. Если во втором каскаде схемы применить
лампу 6L6, то для любого наперед заданного времени, скажем
для 0,1 сек., можно получить ток равный 0,3—0,4 ампера, при усло-
вии, что импеданс на выходе цепи достаточно мал. В случае
цепи подобного типа желательно вместо схемы с одним тиратро-
ном американского типа 885, представленной на рис. 19, составить
схему с двумя лампами, как указано на рис. 13. Подобная система
обладает большими преимуществами, если на выходе требуется
нелинейный, постоянный по форме импульс. Подбором сеточ-
ного напряжения на второй лампе схему можно сделать совер-
шенно нечувствительной к импульсам, получаемым на входе,
если эти импульсы не достигают определенного размера. Для всех
импульсов с напряжением выше этой предельной величины
размер импульсов на выходе будет всегда одинаковым, если
длительность импульса на входе будет оставаться значительно
меньше, чем собственный период импульса выхода.
Такие свойства этой схемы цепи можно коротко охарактери-
зовать следующим образом: лампа 1\ имеет такое смещение, что
она может действовать как линейный (пропорциональный) усили-
тель. Лампа Т2 имеет смещение, которое как раз необходимо для
того, чтобы она была готова к восприятию импульса. Если отри-
цательный импульс заряжает Cit то лампа 1\ направляет к лам-
пе Г2 положительный импульс, и благодаря большой емкости
конденсатора С3 потенциал сетки Т2 следует за изменением:
потенциала анода лампы 7\ и, следовательно, получает положи-
тельный заряд, величина которого зависит от величины
и от типа лампы Т2, Когда напряжение на аноде Т2 падает,
то отрицательный импульс передается обратно на сетку лампы 7\,
что вызывает дальнейшее возрастание проводимости лампы Т2.
Этот процесс продолжается до тех пор, пока напряжение на аноде
второй лампы не упадет настолько, что оно будет лишь на несколь-
ко вольт выше потенциала ее катода.
Потенциал на сетке лампы 1\ сделается значительно ниже
потенциала ее катода и вызовет стекание заряда емкости С4
по сопротивлению R2. Пока этот процесс имеет место, лампа /2
остается еще в достаточной мере проводящей. Когда сетка лам-
пы Тх возвратится в то состояние, при котором эта первая лампа
начинает опять проводить ток, на аноде лампы Т2 начнет увели-
чиваться потенциал, который в свою очередь заставит лампу Т1
сохранить свою проводимость.
Эта стадия процесса является как раз обратной начальной
стадии образования первого импульса.
Возникновение и прекращение анодного тока в цепи второй
лампы происходит чрезвычайно быстро. На каждое его появление
расходуется не более 10“6 сек., при условии, что в цепи имеется
только омическое сопротивление. Время, в течение которого анод-
ный ток в лампе Т2 сохраняет свое постоянное значение, может
быть задано подбором емкости С4.
281
Например, если С4 = 2х 10 4 микрофарад в любой из схем
рис. 19, то длительность одного импульса на выходе будет
приблизительно равна 5 ХЮ”4 сек., если длительность его на
входе равна 10”5 секунды.
Если уменьшать сеточное смещение лампы Г2, то наступит
такое соотношение параметров, когда цепь сделается нестабильной
и возбудятся колебания.
Непосредственно перед тем, как достигнуть такого состояния,
чувствительность схемы становится чрезвычайно большой. В та-
ком состоянии, при котором колебания начинают зависеть от С4,
с возрастанием С4 должно возрастать и смещение на сетке
лампы Т2.
Применяя американские лампы типа 6С6 и типа 41 с емкостью
€4=0,5 х 10”4 микрофарад и подбирая другие параметры указан-
ных на рис. 19 величин, мы получим от импульса на входе всего
в 0,007 вольта с продолжительностью равной 10”5 сек. полное
напряжение на аноде. Это дает усиление по напряжению приблизи-
тельно в 2,5 X Ю4 раза. Для получения импульса на выходе с боль-
шей продолжительностью, например равной 10“2 сек., емкость С4
должна быть порядка 10 ~3 микрофарады. В этом случае для устой-
чивой работы напряжение смещения на сетке лампы Т2 должно
быть такое, чтобы обеспечить импульс на входе до 3—4 вольт.
Схему такого типа применяют и для быстрых и для мед-
ленных счетчиков Г-М.
Если эта схема работает на быстрый счетчик, то отрицатель-
ный импульс от нити счетчика может быть передан на сетку
лампы 1\ или непосредственно или через конденсатор Сг
В случае применения медленного счетчика, как указал Тит-
тинг (Л. VIII, 14), можно составить такую мульти вибраторную схему,
которая способна гасить счетчик путем, подобным действию
схем рис. 14 и 15.
Для этой цели нить счетчика присоединяют непосредственно
к сетке лампы 1\ через R2 = 0 и = 4 X106 ом. Цилиндр в счет-
чике должен иметь отрицательный потенциал равный напряжению
порога плюс 100 вольт. Величину емкости С4 подбирают таким
образом, чтобы время срабатывания отдельного счетчика было
таким же, как и у самописца. В среднем эта емкость должна
быть порядка 3 X Ю”4 микрофарад. Длина горизонтальной части
характеристики, однако, ограничивается напряжением на выходе
лампы.
Если число разрядов в единицу времени становится слишком
большим, то механический счетчик будет давать заметное число
пропусков. На стр. 294 будет показано, что если какой-нибудь
прибор может реагировать только на те импульсы, которые
отделяются друг от друга интервалами времени большими,
чем т, то относительное число импульсов, пропущенных за дли-
282
тельный промежуток времени, будет характеризоваться произ-
ведением tN, где Л/ —среднее число импульсов в единицу
времени.
Для преодоления этой трудности Винн-Вильямс (Л. VI, 39) скон-
струировал своеобразную схему деления, которая уменьшает число
отсчитанных импульсов ровно вдвое. Она состоит из двух ламп,
подобных лампам типа 885, каждая из которых разряжается по оче-
реди следующим вновь пришедшим импульсом. Если присоединить
к одной из ламп первой схемы вторую такую же точно схему
деления на два, то каждая лампа второй схемы будет в свою
очередь попеременно реагировать на половину всех получаемых
ею импульсов. Таким образом, одна лампа второй цепи будет
Рис. 20. Видоизмененная схема Винн-Вильямса, приводящая в
действие записывающий каскад „Ва рис. 18 (с уменьшением
числа сигналов в 4 раза);
= = = = 1СЛ £2; R,=Rt — ОТ 600 до 1000 2; Re=RLj =
= 5000 2; Re = 101 2; =7,5 X 10’2- Все сеточные сопро-
тивления = 1С6 2. Лампы 1 и 4— типа 56. Лампы 2, 3, 5, 6, 7 — типа 885.
С, = 0,005 p.F; С2 ~ С, = 0,0005 p.F; Ct = 0,02 p.F; Cs = С8 = Ст = Сн — 0,001
[j.F; Са = 0,05 [xF; С10 — от 0,2 до 1 p.F; К— механический самописец с
большим импедансом.
Каскад между а и b следует рассматривать как два каскада. Можно при-
соединить еще несколько таких каскадов.
На входе отрицательный импульс.
реагировать только на одну четверть первоначального числа
импульсов.
Этот процесс добавления большего числа схем деления может
быть продолжен беспредельно, так что последняя лампа в конеч-
ной цепи будет отсчитывать лишь 2~л от числа начальных им-
пульсов, если п есть число схем деления.
Чертеж такой схемы деления, несколько, впрочем, видоизменен-
ный (Л. VII, 32), состоящий из двух таких каскадов деления, пред-
ставлен на рис. 20.
283
Она действует следующим образом: пусть в лампах 3 и 6
происходит газовый разряд, — этот режим работы можно искус-
ственно осуществить, замыкая накоротко сначала а затем 52,
Анодный ток ламп 3 и 6 вызовет падение потенциала на R% и /?4,
которое даст смещение на сетки ламп 2 и 5 так, что они не могут
зарядиться, пока S2 замкнуто накоротко. Отношение анодного
потенциала к сеточному для рабочего режима лампы типа 885
составляет приблизительно 10:1. Однако для того чтобы обес-
печить надежную работу, это соотношение следует подобрать
несколько ниже. Рекомендуется установить его в пределах от 5:1
до 8:1. Пусть теперь отрицательный импульс попадает на лампу 1.
Тогда лампы 2 и 3 получат положительный импульс. «Лампа 2
сразу же сделается проводящей, вследствие чего падение напря-
жения между анодом и катодом в ней сделается примерно равным
ионизационному потенциалу аргона, т. е. порядка 17 вольт. Разряд
через лампу 2 обеспечит таким образом внезапное падение напря-
жения на сопротивлении /?8, которое через емкость С4 будет
передано аноду лампы 3. Но так как лампа 3 находится в режиме
разряда, то на сопротивлении /?9 получится большое падение
напряжения, и добавочный импульс, полученный через С4, сделает
анод лампы 3 относительно катода отрицательным.
Разряд в ней быстро погаснет, и сетка получит вновь способ-
ность управления.
Теперь уже первый разряд протекает в лампе 2, а лампа 3
находится в непроводящем состоянии. Когда второй отрицатель-
ный импульс будет получен емкостью Си то начинается тот же
самый процесс, за исключением того, что лампы теперь поменя-
лись ролями. Очевидно, что конденсатор С5 будет получать поло-
жительный импульс только тогда, когда лампа 3 не проводит
ток. Число таких состояний лампы 3 будет составлять ровно
половину отрицательных импульсов, достигающих емкости С\.
Часть схемы от а до b (на рис. 20) такая же, как и часть, содер-
жащая лампы 1, 2 и 3, за исключением незначительной разницы
в параметрах деталей и в характеристике работы лампы 4.
Эта последняя лампа срабатывает от опрокинутого (положи-
тельного) импульса так, что она пропускает положительный
импульс так же хорошо, как и реагирует на него. К отрицатель-
ным же импульсам ее чувствительность относительно мала.
Число импульсов, которые получает конденсатор С9, состав-
ляет только четверть от того числа, которое проходит на вход-
ную емкость С,. Часть схемы от а до b можно считать отдельным
каскадом схемы деления.
Окончательная мощность на выходе должна быть такой, чтобы
она могла привести в действие механизм автоматического счетчика,
как показано на рис. 18 В.
Лампы 1 и 4 действуют как односторонние вентильные при-
боры, задерживая только отрицательные импульсы из всех
импульсов, проходящих через них.
284
Это способствует более отчетливой работе, так как большой
отрицательный потенциал, поданный на сетку лампы типа 885,
может в некоторых случаях ее гасить. Для того чтобы обеспе-
чить устойчивость срабатывания, необходимо, чтобы константа
времени в цепи анода была больше, чем в цепи сетки.
Однако существует другой метод для счета импульсов, посту-
пающих с большой частотой. Пользуясь схемой, до некоторой
степени похожей на схему деления, Ф. Хент (Л. VII, 18) собрал
установку для получения пульсирующего постоянного тока за
счет зарядки и разрядки конденсаторов посредством ламп типа 885.
В ней микро- или миллиамперметр дает отсчеты, пропорцио-
нальные среднему числу импульсов, поступающих на вход в еди-
ницу времени. Подбором необходимых емкостей и сопротивлений
этот непосредственный измеритель частоты импульсов приспособ-
лен для оценки числа случайных импульсов до 105 в мин. При-
бор был точно прокалибрирован с помощью генератора звуковой
частоты, построенного на принципе биений.
Схемы для счета совпадений
В работе с космическими лучами необходимо фиксировать
только одновременные разряды в двух или нескольких счетчи-
ках. Было предложено много различных способов разрешить эту
задачу, но наиболее универсальным оказался способ, предложен-
ный Б. Росси (Л. VII, 30).
Он оказался пригодным для работы с любым числом счетчиков.
Схема, реализующая его, представлена на рис. 21.
Принцип ее работы следующий: аноды всех ламп присоеди-
нены параллельно друг другу к большому сопротивлению R4,
соединенному с источником питания.
Сетка такой лампы обычно поддерживается при потенциале
катода так, что падение напряжения на лампах в статическом
режиме мало по сравнению с падением напряжения на сопротив-
лении /?4. При этих условиях, если отрицательный импульс до-
стигает емкости С„ сопротивление лампы 7\ мгновенно значи-
тельно возрастает. Но так как Т2 и Ts соединены параллельно
с Л, то изменение силы тока в сопротивлении /?4 будет мало,
и потому величина падения напряжения на /?4 практически почти
не изменится.
То же самое произойдет, если сработают две лампы, скажем
Л и ^2, даже несмотря на внезапное повышение их сопротивле-
ний, обусловленное повышением отрицательных сеточных потен-
циалов. Третья лампа все еще будет иметь достаточно низкое
сопротивление по сравнению с Rit и получаемый в результате
импульс на конденсаторе С4 должен получаться достаточно ма-
лым. Но если одновременно получат отрицательный импульс
все три лампы, то потенциал на С4 быстро возрастет, и поло-
жительный импульс на выходе получится значительным.
285
При тех параметрах схемы, которые указаны на рис. 21, сопро-
тивление постоянному току для каждой из ламп американских
типов 57 или 6С6 составит всего 4000 ом.
Рис. 21. Схема счета совпадений по Росси. Можно включить
параллельно любое число ламп.
Я, = /?3 = /?3 =2,5 X 10s Е; /?4 = 1 X 105 й; С, = С3 = Са = от 50 до 100 р-р. F;
С4 = 0,001 p.F;
На входах (С„ С3 и С3) отрицательные импульсы, на выходе С4—положительный.
Максимальное возможное изменение напряжения на выходе,
если только одна лампа получает отрицательный импульс, ока-
зывается всего 0,8 вольта.
Рис. 22. Схематическое изображение включения
нескольких счетчиков Гейгера-Мюллера, счита-
ющих совпадения.
Если отрицательный им-
пульс получают две лам-
пы, то максимальное воз-
можное возрастание на-
пряжения на выходе не
превзойдет 2,8 вольта.
Когда же сетки всех
трех ламп одновременно
станут отрицательными
относительно катодов, то
максимальный импульс
может составить уже не-
сколько сотен вольт.
Подходящим подбо-
ром конденсатора С4 или
сеточного потенциала пер-
вой лампы, стоящей за вы-
Л, — Л2 — Лп— счетчики Г-М, соединенные с лампами ХОДОМ СХ6МЫ, ЛСГКО ВЫдС
по схемам рис. 13,14 или 1S; ЛИТЬ ОДИНОЧНЫС И ДВОИ-
= = —усилительные лампы, изображенные на рис. ___ . .. л..../».,.
21; С— смесительная лампа, включенная по схемерис. 18 В. ИМПуЛЬСЫ И фиК
ровать только тройные.
Для работы с космическими лучами, в которой нужно иногда
фиксировать отдельные двойные, тройные, четвертные и т. д-
286
совпадения, рекомендуется следующая схема, представленная на
рис. 22.
Она характеризуется:
1. Наличием требуемого числа высокоскоростных счетчиков,
подобных тем, которые изображены на рис. 13, 14 или 15.
2. Присоединением их выходов к сеткам ламп, работающих
на совпадении через емкости, как показано на рис. 21.
3. Использованием выходов от этих ламп, регистрирующих
совпадения, для управления схемой, показанной на рис. 18 В.
Источники высокого напряжения. Несмотря на то что идеаль-
ными источниками высокого напряжения для счетчиков являются
батареи, высокая стои-
мость иногда препят-
ствует их широкому при-
менению. В таких случаях
можно воспользоваться
высоковольтным генера-
тором постоянного тока.
Однако мощность, факти-
чески требующаяся для
Рис. 23. Во многих случаях, если потребление
тока невелико, достаточна эта простейшая
схема однополупериодного выпрямления (отсут-
ствие потребления — разомкнутая цепь).
работы счетчиков, на-
столько ничтожна, что
расходы, связанные с их
установкой, являются не-
равноценными. Наиболее
простой и практический
способ питания счетчика состоит в вы-
прямлении переменного тока, напряжение которого повышено до
желаемой величины небольшим трансформатором.
В большинстве случаев бывает совершенно достаточно полу-
волновое выпрямление с емкостью, так как ток, необходимый
для счетчиков Гейгера, бывает весьма мал.
Простейший дешевый выпрямитель изображен на рис. 23;
в нем „газотрон" — ртутная лампа американского типа 866—дает
возможность конденсатору С зарядиться до пика напряжения,
поданного трансформатором.
Выпрямительная ртутная лампа типа 866 весьма дешева, обла-
дает значительным током эмиссии и выдерживает противополож-
ное напряжение до 7500 вольт. Она требует для накала 2,5 вольта
и 5 ампер.
Необходимо, чтобы изоляция трансформатора накала могла вы-
держать полную разность потенциала на выпрямителе при заземлен-
ном отрицательном конце. Конденсатор С, включенный на выходе
параллельно, должен тоже хорошо держать полное напряжение.
Емкость его можно взять не больше 0,1 микрофарады, если вы-
прямитель будет служить только для питания счетчика. Вели-
чину пульсации при токе I можно приблизительно подсчитать
на основании равенства:
287
Сп ’ ИЛИ V RCn 1
где AV есть величина флуктуаций напряжения на выходе, R—
сопротивление на выходе и п — число пульсаций в секунду, воспри-
нимаемых конденсатором С. В некоторых случаях желатель-
но иметь большой ток на выходе, поэтому лучше выпрямлять
обе половины волны переменного тока. Для этой цели можно вос-
пользоваться двумя лампами типа 866, как это показано на
рис. 24.
Рис. 24. Если нужна значительная мощность, рекомендуется
применять двухполупериодное выпрямление с фильтром.
В этом случае необходимо иметь трансформатор с выведенной
средней точкой на вторичной катушке и отдельный изолирован-
ный трансформатор накала.
СрСгО.Ь- l,0«f
Рис. 25. Схема удвоения амплитудного напряжения, даваемого
трансформатором (схема Латура). Необходимо изолированное
питание накала катодов.
Фильтр составляют обычно из двух конденсаторов емко-
стью от 1 до 2 микрофарад и дроссельной катушки порядка
30 генри.
На выходе такой выпрямитель с фильтром будет давать пуль-
сацию меньше 1% при 60-периодном токе и при расходе посто-
янного тока, не превышающем 10 миллиампер. Если требуется
288
выпрямленное напряжение, большее, чем амплитудное напряжение
трансформатора, можно применить схему удвоения напряжения,
представленную на рис. 25 (схемы Латура или Грейнахера).
Она дает на выходе напряжение вдвое больше амплитуды
напряжения, которое получается от трансформатора. В этой схеме
обычно применяют 2 газотрона аме-
риканского типа 866.
Если желательно иметь на выходе
напряжение, которое по желанию мож-
но изменять, то обычно применяют
регулятор напряжения, который будет
описан позднее. Этот регулятор будет
тогда сглаживать пульсации при ус-
ловии, что минимум напряжения от
них в любой момент времени не бу-
дет опускаться ниже стабилизованно-
го напряжения.
1
Ш
а *
/
Ri
Рис. 26. Простейший тип ста-
билизатора напряжения, при-
годный до напряжений в 4000
вольт, с лампой Т-57. Если
надо стабилизировать более
высокие напряжения, нужно
пользоваться пентодами, специ-
ально рассчитанными на высо-
кое напряжение; а — вход, б—
выход.
/Д = (от 0,2 до 2) х 10е й; R, = (от 4
до 20) X W69; R3 = 2 X IO® S; — /от
1 до 2) X Ю4 9; Ki =90 вольт; К3 =
= 45 вольт.
Регуляторы напряжения
Часто бывает необходимо обеспе-
чить постоянство напряжения, что осо-
бенно важно для работы с пропорцио-
нальными счетчиками Гейгера. Для
этой цели было предложено не мало раз-
личных схем (Л. VII, 1, 9, 15, 29, 34, 35).
Простейшая из них изображена на
рис. 26. Ее действие сводится к сле-
дующему: при возрастающем потен-
циале на входе, на выходе в лампе американского типа 57 наблю-
дается полное отсутствие тока благодаря отрицательному смещению
Рис. 27. Типичная характеристика для схемы рис. 26. При /?4 = 0, колебания
напряжения достигают 1°;о.
19 Стронг
289
на сетке. Оно продолжается до тех пор, пока потенциал выхода не
достигнет значения, при котором сетка относительно катода
будет иметь смещение Приблизительно в — 3 вольта. Если потен-
циал входа будет возрастать все больше и больше, то потенциал
на выходе вначале будет подниматься на некоторую небольшую
величину, а затем, вследствие падения напряжения на сопро-
тивлении /?4, достигнет максимума и начнет падать. Если gm есть
общая проводимость лампы, то изменение напряжения 1/она выходе
в зависимости от напряжения Vi на входе может быть выражено
соотношением:
дУо __ R% -р — /?3 gm
dVi /?! -|- 4~ Rs~y Ri R':,&n
Если R4 = 0, /?, = 2 X К)'1 ом, /?2 = 20 X 106 ом, Rs = 2 X W6 ом,
Vi — 90 вольт и V? = 45 вольт, то колебания напряжения будут
иметь место лишь в пределах 1%. Так что изменение напряже-
ния на выходе составит 0,01 от изменения напряжения на входе.
При R4 — 15000 ом и при значениях других величин, указанных
выше, как показали эксперименты, максимум напряжений полу-
чается при 2000 вольт на входе и 1000 вольт на выходе, а изме-
нение напряжения на выходе составляет всего лишь 1 вольт при
изменении напряжения па входе от 1500 до 2000 вольт.
Результаты опытов, полученные с указанными выше парамет-
рами схемы, представлены на рис. 27. При возрастании R4 ма-
ксимум напряжения становится острее и приближается к более
низким значениям.
Если имеется необходимость пользоваться на выходе током
различной силы и тем не менее сохранять постоянство напряже-
ния, то описанная схема становится малопригодной, когда отби-
раемый ток становится больше, чем доли миллиампера. Воз-
можно, однако, сохранить постоянство напряжения на выходе при
изменении тока от 0 до 1 миллиампера, если воспользоваться
характеристикой постоянного режима у другого пентода, вклю-
ченного в описанную выше схему.
Такая схема представлена на рис. 28. Ее действие можно
описать следующим образом: когда напряжение на входе начнет
возрастать, наступает, наконец, такое состояние, когда проводи-
мость лампы 7\ начинает изменяться в зависимости от величины
р
отношения В пределах этого режима лампа 72 все время
^3
находится в состоянии высокой проводимости и оказывает посто-
янному току сопротивление меньшее чем 1000 ом и при сеточ-
ном смещении порядка-}-45 вольт. Как скоро 7\ становится про-
водящей, падение напряжения на сопротивлении R4 делается
приблизительно равным Щ-3 вольт и сохраняет это постоян-
ное значение.
Если напряжение на входе схемы все еще возрастает, а лампа
Т2 продолжает пропускать ток, действуя как прибор постоян-
260
кого тока, то все напряжение будет стабилизироваться действием
у как в предыдущей схеме. Если же попробовать взять ток
с выхода схемы, то сетка лампы 1\ сразу же увеличит свой
отрицательный потенциал относительно катода.
Это обстоятельство заставляет лампу быть менее проводящей,
в результате чего на сетке лампы Г2 отрицательный потенциал
уменьшится. Таким образом, 72 становится более проводящей
и способной подать ток на выход.
Работа такой схемы иллюстрируется кривыми рисунка 29.
Параметры схемы те же, что и на рис. 28, за исключением
/?3=2 X Ю5ом. Совместное взаимодействие двух ламп дает зна-
чительно более постоянное напряже-
ние, чем получаемое при работе с од-
ной лампой. При напряжении на вы-
ходе равном 1039,5 вольт, практически
изменение этого напряжения состав-
ляет всего 0,1 вольта при изменении
напряжения на входе от 1050 до 2500
вольт. Изменение тока от 0 до 1 мил-
лиампера, при любом напряжении на
входе, взятом несколько выше ста-
билизированного, изменяет напряже-
ние на выходе меньше чем на 0,2
вольта. По мере того как отбираемый
ток становится сильнее указанного
(больше 1 миллиампера), постоянство
напряжения постепенно нарушается
Рис. 28. Схема с двумя лам-
пами „57“, прекрасно стаби-
лизирующая, если ток не пре-
восходит 1 mA. Сползание на-
пряжения не более 0,1 вольта
в час на выходе. С лампами
типа „57“ можно стабилизиро-
вать напряжение от несколь-
ких сот до нескольких тысяч
вольт; а — вход, б — выход.
/?1 = 2Х»0ве; #2 = 2 X 10е й, прово-
лочное и 7?а—переменное проволоч-
ное; = ТО» й; Vt = SO вольт; V2 =
— Ц — Щ = 45 вбльт.
все сильнее.
В данной схеме критическими яв-
ляются лишь значения напряжения
17 $2
% и отношения а не другие сопро-
тивления и не другие потенциалы. Для
поддержания постоянства сопротивле-
ний /?2 и Ra проволока у них должна
быть навита очень плотно и должна
иметь постоянную температуру. Если
разность потенциалов \\ получается
от свежеизготовленных сухих батарей
типа „В“ (советские марки БАС-80,
БАС-60 или БАС-40), то результат стабилизации обычно полу-
чается вполне удовлетворительным, так как их температур-
ный коэфициент очень мал. Подогрев катода лампы 72 не тре-
бует особой стабилизации, так как изменение мощности его на
50°/о изменяет напряжение на выходе схемы меньше чем на 0,1
вольта. Зато изменение на 50% мощности нагрева лампы 7\
изменяет напряжение на выходе примерно на 5 вольт на каждую
тысячу вольт. Подробное исследование этой схемы показало, что
19*
291
спустя первые полчаса сползание напряжения может достигать
величины от 1 до 0,1 вольта в час. Нужно заметить, что выход-
ное напряжение в пределах нескольких вольт будет следовать
за изменением напряжения на входе до тех пор, пока не на-
чнется область стабилизации напряжения, и уже после этого мощ-
ность будет рассеиваться только на электронной лампе, а не на
сопротивлении.
Подбором сопротивления /?3 (рис. 28) можно достигнуть оди-
наковой отдачи схемы в пределах от нескольких сотен до не-
скольких тысяч вольт.
Рис. 29. Типичная характеристика схемы рис. 28. При отсутствии
потребления тока, напряжение на выходе (ордината) изменяется
менее чем на 0,1 вольта от 1039,5 вольта при изменениях напряжения
на входе (абсцисса) с 1050 до 2500 вольт.
1 — гок1,6тЛ, 2—ток 0,8 mA, 3 —ток 0,4 mA, 4 —ток 0,0 mA (отсутствие
потребления — разомкнутая цепь)
Этот тип прибора для стабилизации напряжения является
весьма ценным средством для устранения вредных пульсаций
при выпрямлении переменного тока.
В качестве фильтра можно пользоваться при этом конденса-
тором небольшой емкости. Подобные схемы полностью устраняют
оставшиеся пульсации при том условии, что потенциал не будет
спадать ниже стабилизированного напряжения. Хотя для ламп
американского типа 57 и подобных ей ламп советского производ-
ства по данным заводов требуется на аноде напряжение в 250
вольт, однако если расходуемая в установке мощность, выража-
емая в ваттах, очень низка, то на аноды можно подавать напря-
жения в несколько раз выше. Пределом повышения напряжения
в этом случае обычно является искровой разряд на корпус лампы
(пробой). Почти все лампы этого типа должны выдерживать до
2000 вольт на аноде, а большинство из них не будет проби-
ваться и при 4000—5000 вольт.
292
Об оценке вероятностей срабатывания и об ошибках
в работе счетчика Гейгера
Время между попаданиями отдельных частичек. Если частицы
действительно не зависят друг от друга и распределены случайно,
то к ним можно применить законы теории вероятности. Предполо-
жим, что мы имеем постоянный источник излучения, тогда вероят-
ность появления интервала времени между двумя отсчетами,
длительность которого лежит в пределах t и выражается
(Л. VII, 16):
Ptdt=^-e Tdt, (1)
где 7есть средняя величина интервала за время счета. Вероят-
ность же нахождения его в длительном промежутке времени
между и t2 выразится:
-с3
jpidt=e‘-eT- (2)
ч
В частности, если мы хотим узнать вероятность нахождения
в этом длительном промежутке времени короткого интервала
равного или меньшего по сравнению со средним интервалом
времени {, то мы получим число (1 — -)=0,632, а вероятность
интервала, заключающегося в промежутке времени между t и
бесконечностью, окажется 0,368.
В случае механического счетного автомата, который не
будет реагировать на импульсы, разделенные интервалом
меньшим г, можно найти среднее число пропущенных разрядов
следующим образом: допустим, что среднее значение интервала
времени между импульсами Сбудет велико по сравнению с т-
тогда уравнение (2) дает вероятность появления интервала
времени меньшего чем т. В первом приближении эта вероятность
т
равна у. Таким образом, если N есть полное число сосчитанных
т
частиц, то средняя ошибка в счете будет Л/у и средняя относи-
тельная ошибка будет просто у.
Число частиц за данный промежуток времени. Если от по-
стоянного источника излучения в течение некоторого про-
межутка времени сосчитаем число частиц, а затем сравним его
с числом, сосчитанным за следующий промежуток времени той же
продолжительности, то эти два числа, вообще говоря, должны
быть различны. Относительная ошибка каждого отдельного ряда
отсчетов будет, конечно, меньше, если число отсчетов в этих
рядах будет больше.
293
Если п обозначает среднее число частиц, попадающих
в счетчик за единицу времени в течение некоторого промежутка
времени и сосчитанное за относительно больший период счета,
а п есть число всех частиц, попавших в счетчик в течение одной
из этих единиц времени, то вероятность, что при счете полу-
чится это число щ дается законом Пуассона (Л. VII, 2):
Таким образом, если путем сосчитывания весьма большого
числа частиц найдено, что от некоторого источника поступает
в среднем 100 частиц в минуту, то вероятность того, что за одну
минуту 100 частиц будут действительно сосчитаны, равна 0,04.
Вероятность же того, что будут сосчитаны лишь 50 частиц,—
составит только примерно 10”*.
Вероятность того, что вообще будет сосчитано некоторое
число частиц, очевидно равна:
со
2^=1-
о
Ошибка в отдельном результате счета п частиц. Если средняя
ошибка или, лучше, корень из средней квадратичной ошибки ет
определяется выражением:
со
о
то применение закона Пуассона дает (Л. VII, 8, 35):
1
и вероятная ошибка будет 0,67£т = 0,67 /г2, так как при боль-
ших значениях п отличается от п на очень малую величину
(соотношение между средней и вероятной ошибками указано
во всех руководствах по теории ошибок). Средняя относительная
_ 1
ошибка будет тогда или п 2. Для того чтобы обеспечить веро-
ятнейшую ошибку в пределах 1% для одного ряда отсчетов,
необходимо будет сосчитать 4500 частиц; а для того чтобы сни-
зить вероятную ошибку до 0,1%, нужно сосчитать 4,5ХЮ5 частиц.
Ошибка, вводимая фоном. Если для измерения активности
источника излучения применяется один счетчик и если излучение
этого источника сравнимо с собственным счетом счетчика,
обусловленным фоном, то весьма существенно знать, каково
влияние этого фона на точность измерений.
294
Если ошибка для одного ряда отсчетов равна а для дру-
гого ряда г2» т0 ошибка их суммы или разности должна быть:
Соответственно этому, если Nt есть число сигналов, вызванных
какой-нибудь радиацией, плюс число вызванных фоном, a N2 —
число сигналов, обусловленных одним только фоном, то средняя
ошибка разности, служащей мерой интенсивности источника
подлежащего изучению, будет (/Vt+M)2» так что относительная
1
средняя ошибка выражается дробью , а относительная
вероятнейшая ошибка будет равна (Л. VII, 37):
1
р
Ni — Ns
0,67
’ — Na
(6)
Так, например, если при наличии источника число сигналов,
подлежащих счету, окажется вдвое больше числа, получаемого
тогда, когда имеет место только один фон, то для того чтобы
уменьшить ошибку разности до 1%, необходимо сосчитать
6 X 4500 = 27 000 частиц. Это число оказывается в шесть раз
больше того числа, которое необходимо сосчитать при отсутствии
фона. Время, необходимое для осуществления всех этих отсчетов,
должно быть в три раза больше.
В дополнение скажем, что половину этого числа приходится
считать в отсутствии источника радиаций, так как она должна
принадлежать только фону, так что необходимо сосчитать
9X4500 = 40500 частиц, что потребует времени в шесть раз
больше, чем при отсутствии фона.
Ошибки, обусловленные случайными совпадениями. Если
для счета совпадений применять два счетчика и раздвинуть
их на большое расстояние друг от друга в горизонтальной пло-
скости так, чтобы космические лучи не давали совпадений,
то^тогда совпадения будут обусловлены только фоном. Эти „слу-
чайные совпадения" должны тем не менее быть приняты во вни-
мание, особенно когда истинные числа совпадений становятся
по величине того же порядка.
В схеме совпадений применяются две лампы. Если импульс
доходит до одной из усилительных ламп в пределах некоторого
времени т либо до, либо после того, как подобный же импульс
попадет на вторую лампу, а -с равно разрешаемому прибором
интервалу, то будет зарегистрировано совпадение.
295
Существует определенная вероятность того, что два несвя-
занных между собою импульса будут зарегистрированы как совпа-
дения, но, вообще говоря, возможность этого сомнительна.
Пусть интервалы времени, в течение которых приходят им-
пульсы от каждого счетчика, будут одинаковы. Тогда разрешае-
мый интервал времени можно определить как то время, длитель-
ность которого будет соответствовать условию, чтобы пиковое
значение напряжения от одного импульса отстояло от пикового
значения напряжения второго импульса на 2г.
Пусть среднее число импульсов в секунду от одного счетчика
будет и среднее число импульсов в секунду от другого счет-
чика будет равно 1. Тогда вероятность того, что этот один им-
пульс будет совпадать в пределах разрешимого интервала вре-
мени с одним из импульсов, будет а если в среднем
от второго счетчика поступает 2 импульса в секунду, то число
случайных совпадений будет 2 X (2-Wj) и т. д. Для N2 импульсов
в секунду число случайных совпадений будет в среднем равно:
Л12 = 2тад. (7)
Для случая трех счетчиков, работающих на тройные совпадения,
легко показать, что число случайных совпадений в секунду будет:
(8)
если счетчики разделены друг от друга таким образом, что дей-
ствительных совпадений вовсе не может быть. Обобщение урав-
нения (8) для любого числа п счетчиков, соединенных для
счета случайных совпадений, дает:
(9)
при чем предполагается, что и N и т одинаковые для всех счет-
чиков. Это последнее уравнение предусматривает необходимость
предварительного определения разрешаемого счетной схемой
интервала времени. Для этого только необходимо распределить
счетчики в горизонтальной плоскости на таком расстоянии, чтобы
число действительных совпадений между какими-нибудь двумя
из них, обусловленных теми космическими лучами, которые на-
правлены почти горизонтально, было весьма малыми по сравнению
с истинными случайными совпадениями.
К. Эккарт и Ф. Шонка (Л. VII, 7) показали, что в случае, когда все
т и все 7V различны, то обобщенное выражение приобретает вид:
Ак... „ = ... Afot,... t+ -+• • • -) •
\ L1 L2
Состоятельность полученных результатов счета. того
чтобы надлежащим образом оценить правильность работы счет-
чиков, обычно вычисляют двумя способами вероятную ошибку
окончательного результата. Если полученные при этом численные
2S6
значения ошибки примерно согласуются в пределах требуемой
точности, то можно считать, что работа счетчиков протекала
нормально, и флуктуациями прибора можно пренебречь.
Пусть средняя ошибка одного определения 4 отсчетов есть
eIf средняя ошибка другого определения N2 отсчетов есть е2
и т. Д- Тогда по уравнению (5) средняя ошибка результата п опре-
делений будет:
е =(£2+e|_L... £2)4 ,
т v J * 2 I п '
а по уравнению (4):
*w=(4+m+--- чА
и. вероятная ошибка будет:
ер = 0,67(4+4 + ” Ч)^
С другой стороны, если 4, 4 и т- Д* получены за равные про-
межутки времени, то среднее значение за этот период времени
будет:
N =4+4+- 4
ср п
Обозначим разности (N—4)> (Л^—4)--(^ — Ч)чеРез г- Тогда
вероятная ошибка результата выразится в виде формулы:
1
/ Хг3 \ 2
Ер ~ \п(«—!))
Когда имеют место заметные флуктуации инструментальных
параметров самого прибора, тогда ер обычно бывает больше,
чем ер. Если же ер приблизительно равно , то можно с уве-
ренностью предполагать, что счетчики работают нормально, так
как вероятность того, что действительная ошибка будет в 2 раза
больше вычисленной, составляет а вероятность того, что она
будет в 3 раза больше, равна •
Численный пример. Данные в табл. 1 были получены с
двумя большими счетчиками, работавшими на совпадения, отсчеты
которых регистрировались каждый час автоматической фотока-
мерой. Вероятная ошибка, вычисленная по разностям, равнялась:
£
=0 67 =
297
Таблица 1
Исследование работы двух счетчиков Г-М, считающих совпадения
(N есть число отсчетов в час, полученных с автоматической фотокамерой, а г
есть отклонения от среднего или разности чисел отсчета).
м г Г2 /v3 г г2
3 349 4~ 5 25 3 392 4- 38 1 444
3333 -21 441 3 318 — 36 1296
3429 4-75 5 625 3 232 — 122 14 884
3278 — 76 5 776 3 383 4- 29 841
3 404 4-50 2 500 3292 - 62 3844
3308 — 46 2116 3500 4-146 21 316
3292 — 62 3 844 3340 — 14 196
3339 - 15 225 3 481 4-127 16129
3373 4-19 361 3 295 — 59 3 481
3350 — 4 16 3 395 4- 41 1681
£77 = 67083 £ г2 =86 021 ЛЛП = 3354,1
и число отсчетов в час с этой вероятной ошибкой получилось
равным:
3354,1 ± 10,1.
Вероятная ошибка, вычисленная для всего числа отсчетов рав-
£
него 67083, оказывается 0,67 (67083)2*= 174, а число отсчетов в
один час с соответствующей вероятной ошибкой получилось
равным:
3354,1 ± 8,7.
Следует заметить, что вероятные ошибки, вычисленные указан-
ными двумя способами, оказались почти одинаковы, хотя ошибка
вычисления по разностям чисел отсчетов за каждый час получи-
лась несколько больше. Однако в полученных при счете числах не
обнаружилось никакой системы, так как положительные и отри-
цательные разности были почти равноценны. Примененный к этим
числам критерий Шовене (Л. VII, 26) показывает, что каждая отдель-
ная разность может быть больше 150 и в данном случае ее отбро-
сить нельзя. Соответственно этому можно заключить, что флук-
туации прибора заметным образом на результат не влияют.
ГЛАВА VIII
ВАКУУМНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОРАДИОМЕТРЫ
И ИЗМЕРЕНИЕ ЛУЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ 1
Введение
Всякий радиометр состоит из зачерненного приемника, нагре-
ваемого лучистой энергией, подлежащей измерению. Он снаб-
жен измерительным прибором, который позволяет измерить
повышение температуры приемника, вызванное лучистой энер-
гией. В наиболее тонких измерениях чувствительность этого
измерительного прибора должна обнаруживать повышение тем-
пературы порядка нескольких миллионных долей градуса.
По сравнению с другими методами измерения интенсивности
света метод радиометра характеризуется тем, что в нем пря-
мым и простейшим путем получается отсчет в функции от ин-
тенсивности света; обычно между этими двумя величинами имеет
место линейная зависимость. Поэтому прибор вообще должен
обладать одинаковой чувствительностью для всех длин волн.
Для измерения лучистой энергии с длинами волн меньше
чем радиометры следует считать более надежными, но менее
Чувствительными, чем другие приборы, как, например, фото-
электрические и фотографические фотометры. Поэтому радио-
метрами обычно пользуются как вспомогательными приборами
для градуировки других типов фотометров (фотоэлектрических
и фотографических). Для исследований в инфракрасной области
радиометр является наиболее чувствительным из всех приборов,
применяемых в настоящее время.
Когда радиометр дает свой полный отсчет, соответствующий
интенсивности падающего на приемник пучка света, это значит,
что потери приемником тепловой энергии компенсируются коли-
1 В последнее время приобретают большее значение термоэлектрорадиометры,
работающие не в вакууме, а при атмосферном давлении. Причиной этого яв-
ляется значительная инерционность вакуумных термоэлементов, замедляющая
отсчеты. Газовая среда способствует более быстрому достижению теплового
равновесия внутри прибора. Прим. ред.
299
чеством поглощаемого им тепла из светового потока, падающего
на его поверхность Фя Так как эти потери всегда бывают про-
порциональны повышению температуры, то
Ф =L^T+L^T-]-L^T+L^Tt (1)
где L обозначает различные виды тепловых потерь в единицу
времени на единицу изменения температуры. Так представляет
потери тепла за счет излучения приемника, L2— потери за счет
теплопроводности воздуха, Z,s —утечку тепла вследствие тепло-
проводности деталей прибора, соприкасающихся с приемником,
а Л4 — прочие тепловые потери, как, например, в случае термопары,
потери тепла за счет эффекта Пелтье. Желательно, чтобы по-
тери были как можно меньшими. С этой целью следует энергию
концентрировать на маленьком приемнике, чтобы уменьшить
и Л3. Приемник обычно монтируют в высоком вакууме, чтобы
избавиться от потери £2. Показание прибора зависит от вели-
чины ДТ, а различные типы радиометров отличаются друг от
друга способом измерения ДГ.
Термоэлектрические радиометры измеряют ДТ с помощью
одного или нескольких термоэлектрических спаев, входящих в со-
став приемника (Л. VIII, 5,7, 18, 25, 32, 35, 39, 38, 42, 43, 47, 48).
Микрорадиометр измеряет ДГ таким же способом, как и обыч-
ный термоэлектрический радиометр (Л. VIII, 4,17,41); только в этом
приборе термоизмерительная аппаратура и приемник непосред-
ственно соединены с подвижной системой катушки гальвано-
метра, подвешенной на кварцевой нити. Преимущество микро-
радиометра по сравнению с другими термоэлектрическими при-
борами заключается в том, что, вследствие отсутствия внешних
проводов, в нем до минимума сведены потери энергии в электри-
ческом сопротивлении. Однако объединение термопары с гальвано-
метром дает прибор, неудобный для применения в спектрометре,
так как в рабочем положении его надо защищать от вибрации.
Болометр состоит из тонкой зачерненной металлической полос-
ки и электрической схемы (Л. VIII, 34,36). Эта полоска является при-
емником для излучения. Она же служит в качестве одной из
ветвей уравновешенного мостика Уитстона. Изменение в элек-
трическом сопротивлении, измеренное чувствительным нулевым
гальванометром (Йнульцейгером“), является мерой Д7'.1
Простейший молекулярный радиометр представляет собой лег-
кое коромысло, на котором укреплены приемник и зеркальце,
помещенное в сосуде, из которого выкачана большая часть воз-
духа. Вся система подвешена на тонкой кварцевой нити. Задняя
1 В последнее время приобретают все большее и большее значение боло-
метры, в которых приемником является не металлическая ленточка, а так
называемый «термистор" — полупроводник с громадным температурным коэфи-
циентом электрического сопротивления (—4o/q, —6о/о и более на градус), что
делает их особенно пригодными для измерения температур. Прим. ред.
300
сторона приемника термически изолирована от передней так, что
когда пучок света падает на приемник, передняя сторона его
нагревается больше, чем задняя (Л. VIII, 1, 16,19, 49, 30, 40, 50, 52).
Такой радиометр оказался наиболее чувствительным при дав-
лении газа около 0,06 мм ртутного столба. Газовые молекулы,
ударяющиеся в нагретую излучениями сторону приемника, отска-
кивают от нее с большей скоростью, чем те, которые уда-
ряются о противоположную холодную сторону, и таким образом
приемник испытывает суммарную „отдачу" назад. Это вызывает
поворот коромысла, пока вращающий момент, вызванный отдачей,
не уравновесится вращающим моментом, вызванным закручива-
нием кварцевой нити. Угол поворота коромысла, отмеченный
с помощью зеркальца, является мерой разницы температуры АГ
между передней и задней поверхностью приемника.
Читатель, желающий подробнее ознакомиться с различными
видами радиометров, найдет в литературном указателе перечень
всех наиболее существенных работ по этому вопросу. Одной из
особенностей молекулярного радиометра является постоянство
его чувствительности. Воспроизводимость отсчетов обусловлена
отчасти применением кварцевого подвеса, но главным образом
тем, что необходимое давление газа (0,06 мм ртутного столба)
легко поддерживать постоянным и контролировать в гермети-
чески закрытом сосуде. Такой радиометр с успехом был применен
в микрофотометре, при чем подгонка такого радиометра к месту
не представляет особых конструктивных затруднений.1
Когда для очень тонких измерений требуется максимум чув-
ствительности, задача заключается в выборе наиболее чувстви-
тельного типа радиометрического прибора и в решении вопроса'-
какая модель выбранного типа является наиболее чувствительной.
Существуют противоречивые мнения относительно предель-
ных чувствительностей, достигаемых с помощью различных типов
радиометров. Несомненно, однако, что электрический радиометр
может обладать почти такой же чувствительностью, как и любой
другой радиометрический прибор, и хотя другие приборы можно
сделать немного более чувствительными, чем вакуумная термо-
пара, однако их обычно значительно труднее сконструировать
и применять (Л. VIII, 15,33). Вследствие этого мы не будем здесь
подробно описывать детали конструкции других радиометрических
приборов, кроме термоэлектрического радиометра. Вакуумные
термопары ныне широко применяются экспериментаторами в
инфракрасной спектрометрии, пожалуй даже чаще, чем все дру-
гие типы радиометрических приборов, вместе взятые.
Наибольшее затруднение представляет изготовление подвешенного чув-
ствительного коромысла, обладающего апериодичностью, малой временной по-
стоянной и достаточной чувствительностью. Применение чувствительных радио-
метров требует больших затрат времени для получения микрофотограмм.
301
Рис. 1. Детали вакуумного термоэлектрорадиометра.
1—излучение, подлежащее измерению; 2—окошко из тугоплавкого (55°)
парафина толщиной 1 мм; 3—латунная трубка диаметром 6—7 мм, хроми-
рованная снаружи; 4— присоединения к гальванометру медным проводом
0,1 мм; 5- винт для крепления прибора; 6—замазка воском или апьезоном
„W*; 7—деталь соединения; 8—приемники; 9—слюда; 10—медная прово-
лока для крепления; 11—фарфоровая палочка диаметром 4,5 мм с че-
тырьмя каналами, спиленная с одной стороны (плоско) для облегчения от-
качки камеры термопары; 12— к вакуумной системе.
Конструкция и откачка чувствительной термопары
Опишем конструкцию вакуумной термопары типа, изображен-
ного на рис. 1, предложенного проф. Файрстон и П. Ульрих.
Эта термопара имеет два отдельных нагреваемых термоспая, два
приемника и четыре выведенных наружу провода, так что каж-
дый спай может быть использован или отдельно или их можно
соединить либо последовательно, либо навстречу друг другу.
При включении спаев навстречу терморадиометр становится
компенсационным. Приемники имеют прямоугольную форму; их
помешают рядом друг с другом, край к краю — этоД особенно
желательно для спектральных исследова-
ний. Для специальных целей форма прием-
ников, так же как и других частей кон-
струкции прибора, изображенного на ри-
сунке, может быть, конечно, иной.
Прозрачное окошко из кристаллического
кварца приклеивается воском или замазкой
апьезон „W“. Эту замазку применяют так-
же для склеивания других соединений.
Замазка апьезон „W" легко приклеивается
и имеет исключительно низкое давление
Рис. 2. Приемник лу-
чистой энергии.
1— приемники; 2— цемент
алунд.
паров — ценное свойство для поддержания
постоянства высокого вакуума.1 Сквозь
фарфоровый стержень диаметром 4,5 —
4,0 мм, имеющий четыре канала, проходят
довольно толстые медные провода, на которых и крепят термо-
спаи. Выходящие наружу концы медных проводов скрепляют
листочком слюды, как показано на рис. 1, или с помощью алундо-
вого цемента, как показано на рис. 2, так, чтобы они не вибриро-
вали. К этим толстым медным проводам приклеивают четыре
гибких изолированных медных проводничка, которые выводятся
наружу с нижнего конца сквозь плотный слой замазки.
На рис. 3 изображено приспособление для поддержания
в термопаре высокого вакуума с давлением не выше 10 4 мм
ртутного столба. Изображенная на нем широкая запаянная трубка
из стекла пирекс наполнена активированным древесным углем.
Чтобы уголь мог выделить окклюдированный им газ, трубку
с Древесным углем откачивают и прогревают во время работы
насоса в течение нескольких часов перед тем, как закрыть
кран и отделить прибор от насоса. Сначала хороший вакуум
(выше 1(Г4 мм) сохраняется после откачки всего лишь в тече-
ние нескольких часов. Однако после каждой новой откачки этот
срок удлиняется, и приблизительно после пяти откачек, если
в системе нет течи, вакуум может сохраняться уже около месяца.
стр 1|22°>КН5'д^еКОЧеНДОвать ФталевУю замазку, рецепт которой приводится на
303.
Испытание вакуума обычно производят путем измерения чув-
ствительности термопары при каком-нибудь стандартном условии,
например подвергают термопару облучению 60-ваттной лампочкой,
помещенной на расстоянии 25 см, и при помощи относительно
мало чувствительного гальванометра определяют, как на это
Рис. 3. Способ обеспечения вакуума в термоэлектрорадиометре.
1—термоспай; 2—стеклянная вата; 3—поглощающий древесный уголь;
4—замазка воском или апьезоном BW“; 5—кран смазан апьезоном „W“.
излучение реагирует спай. Степень вакуума в термопаре не
следует испытывать электрической искрой, так как электрические
силы могут разрушить нежные спаи.
Проволочки для изготовления термоспаев
Одну из двух электрических проволочек делают обычно из
чистого висмута, другую — из сплава висмута с 5% олова. Выбор
именно этой комбинации для изготовления термопары был сде-
лан на основании рассмотрения коэфициентов Впдемана-Францз
и сравнения термоэлектрической мощности всех возможных раз-
личных комбинаций металлов, включая такие, как теллур и дру-
гие сплавы висмута.
Сопротивление каждой термоэлектрической проволочки должно
быть не меньше 10 ом при длине не более 3 мм. Проволочка из
висмута длиной 3 мм с сопротивлением 10 ом должна иметь
диаметр около 24 р. Электрическое сопротивление проволочки
из сплава висмут—олово в соответствии с величиной коэфициента
Видемана-Франца должно быть примерно на 20% больше, чем
проволочки из чистого висмута. Вследствие большего удельного
электрического сопротивления проволочки из сплава висмута, ее
диаметр должен быть приблизительно на 7 у. больше, чем диа-
метр проволочки из чистого висмута (Л. VIII, 14).
Приготовление тонких проволок из сплавов. Термоэлектриче-
304
ские проволоки приходится обычно изготовлять самим, напри-
мер по способу Тейлора. Для изготовления тончайших про-
волок по способу Тейлора термоэлектрический металл распла-
вляют и всасывают в подогретую тонкостенную капиллярную
трубку из легкоплавкого стекла (рис. 4). Затем эту трубку,
заполненную в середине металлом, на-
гревают посередине при помощи малень-
кой примитивной электрической печи
и вытягивают, как показано на рис. 5.
Диаметр проволочек, вытянутых в нить
вместе со стеклом зависит от темпера-
туры печи и скорости растягивания. Если
температура печи соответственно отре-
гулирована, получаются проволочки,
представляющие собой монокристаллы,
которые можно повторно быстро сгибать
и выпрямлять, при чем они не ломаются.
Хрупкие нити следует выбрасывать.
Стекло надо удалять с поверхности
нитей плавиковой кислотой, которая бы-
стро растворяет легкоплавкие сорта
стекла и вызывает лишь слабую корро- Рис 4 Засаснва11ие рас-
ЗИЮ и разъедание металла. Крепкую плавленного металла,
плавиковую кислоту обычно разбавляют 1 — капиллярная трубка из мягкого
небольшим количеством воды, чтобы стекЛэЛ‘^
уничтожить выделяемый ею „дым". Ее
удобнее всего хранить или в плоской чашке, покрытой слоем пара-
фина, или простов углублении, сделанном в большом куске парафи-
Рис. 5. Растягивание стеклянных трубочек, наполненных метал-
лом, для получения тончайших нитей.
1— головка винта для подачи изделия; 2—изоляция из слюды; 3—капил-
ляры мягкого стекла, наполненные термоэлектрическим металлом: 4— ни-
хромовая лента шириной 0,94 см; 5—проволока, покрытая стеклом;
6 — пинцет.
20 Стронг
на, плотно закрытом сверху плоским куском парафина же. Прово-
лочки извлекают из кислоты металлическими щипцами и промы-
вают в слабом растворе аэрозоля.
Аэрозоль или состав для чистки „дрэфт" имеют широкое
применение в лаборатории для мытья стекла, алюминиевых зеркал
и т. д., наряду с этим их можно добавлять в воду, чтобы умень-
шить поверхностное натяжение и увеличить смачиваемость по-
верхностей. Так как раствор аэрозоля или дрэфта смачивает
проволочки и растворяет плавиковую кислоту, им рекомендуете,!
пользоваться и для промывки проволочек термопар. При зачер-
нении приемников краска с добавкой дрэфта, вследствие умень-
Рис. 6. Припаивание сво-
бодных концов термослаев.
1— подогреватель из горячей про*
волоки: 2—положение преднязна*
ченных для паяния термоэлектри-
чес1 их проволок; 3 — луженчя
поверхность, смоченная паяльной
жидкостью (ZnCla, дестиллироваг-
ная Н2О); 4— луженая игла.
Рис. 7. Обрезание кончи-
ков. Разрезание термоэлек-
трических проводов диа-
метром 20 р,.
шейного поверхностного натяжения, меньше „стягивается*' в капли,
а поэтому опасность испортить работу при соприкосновении
кисти с окрашиваемой поверхностью уменьшается.
Проволочки должны быть совершенно освобождены от стекла,
иначе возникнут затруднения при их резке и спайке; обычно
пятиминутное пребывание в кислоте вполне достаточно для
этого. Необходимо лишь избегать попадания кислоты на пальцы.
Доброкачественные кусочки проволочки закрепляют на дне
плоских сигарных ящиков, приклеивая их концы к дну ящика
при помощи воска, каждый металл отдельно. Тогда можно
измерить электрическое сопротивление каждой проволочки
в целом и определить сопротивление ее на единицу длины,
а результат записать на маленьком ярлычке, укрепленном против
соответствующего кусочка проволочки. Когда ассортимент
проволочек различных размеров собран и измерен, можно подо-
брать из них такую, которая годна для изготовления спаев
с заранее намеченными параметрами.
2С6
Изготовление спаев
Микроскоп примерно с десятикратным увеличением облег-
чает манипуляции с проволочками и спаивание их в термоэлек-
трические пары. Идеальным является поворотный подъемный
бинокулярный микроскоп, дающий стереоскопическое изображение.
Рис. 6 иллюстрирует способ припаивания термоэлектрических
проволочек к медным опорным проволокам с помощью луженой
швейной иголки. Приспособление с электрическим подогрева-
Рис. 8. Получение термосная
из двух металлов.
1— соединение смачивается па-
яльной жидкостью.
Рис. 9. Укрепление термо-
спаев.
1— кварцевые дужки крепятся к
держателю и термоэлектричесьим
проводам тонким слоем лака; 2—
кварцевые нити.
телем для нагревания иглы питается электрическим током, при
чем температура регулируется реостатом. Температуру самого
кончика швейной иглы можно, кроме того, плавно изменять,
Рис. 10. Изготовление приемников радиации. Эти операции лучше
производить под микроскопом с 10-кратным увеличением.
1— лезвие бритвы; 2— золотая фольга т олщ. 0,5 микрона; 3— кусочки 0,3 мм X 3 мм;
z—тонкая бумага; 5— проволока (диаметром 0,5 мм); 6—пропускная бумага.
я — способ разрезания приемника; б — сгибанием на проволоке приемникам при-
дается большая жесткость.
изменяя расстояние между точкой соприкосновения иглы с нагре-
вательной проволокой и кончиком иглы.
Для пайки часто применяют металл Вуда. В качестве флюса
(паяльной жидкости) пользуются раствором чистого хлорного
Цинка в дестиллированной воде. Когда спай готов, излишек хлор-
20* 30/
кого цинка надо тщательно удалить маленькой кисточкой, смо-
ченной в дестиллированной воде.
После того как проволочки для термоспая, отобранные по
размерам так, что каждая из них имеет длину около 3 мм,
будут припаяны к луженым медным держателям, их надо „под-
резать" до нужной длины прикосновением горячей луженой
иголки, как показано на рис. 7. Таким способом не только
„обрезают" проволоки, но в то же время лудят их концы. Эта
операция оказывается затруднительной, если не все стекло на
проволочках растворилось.
С помощью холодной иглы этими термоэлектрическими про-
волочками надо манипулировать так, чтобы их концы пришли
Рис. 11. Припаивание при-
емников на месте (на
„спай**).
Рис. 12. Чернение. Прием-
ники покрывают ламповой
сажей, смешанной с водой,
содержащей следы клея.
в контакт. На него наносят кисточкой немного паяльной жид-
кости, и спайка производится за счет тепла, получаемого нака-
ленной проволокой подогревателя (рис. 8). Затем место спая
надо тщательно вымыть. Момент, когда нагревание следует пре-
кратить, можно определить по легкому изгибанию свободных
концов нитей, вызванному поверхностным натяжением расплавлен-
ного металла. Если сопротивление проволочек слишком велико,
то каждую из них можно немного укоротить нагреванием
металла Вуда на том конце проволоки, который припаян к мед-
ному проводу. Расплавленный металл Вуда наползает на прово-
локу термопары вследствие поверхностного натяжения. Для
нагревания металла Вуда можно воспользоваться иголкой. Таким
путем легко изготовить два спая, отличающихся по своему
электрическому сопротивлению только на доли ома; если про-
волочки были сделаны из одного и того же куска висмута или
сплава, чувствительности обоих спаев будут очень близки.
Чтобы увеличить прочность готовой термопары, для поддержки
термоэлектрических проволок и для крепления приемников при-
меняют тончайшие кварцевые нити, которые приклеивают к мет-
ным поддерживающим проволокам тонким слоем лака (рис. 9).
308
Приемники делают из тонкой золотой фольги толщиной
около 0,5 (а. Такая фольга значительно толще, чем сусальное
золото, которым пользуются художники. Золотой листок нужной
толщины приготовляют испарением в вакууме с вольфрамовой
спирали надлежащего количества золота (см. главу IV), конден-
сирующегося при этом на стеклянную пластинку. Готовую
пленку можно смывать со стекла струей воды. Приемники нуж-
ных размеров нарезают лезвием бритвы из золотого листочка
(для спектроскопии наиболее удобны размеры 3 X 0,3 мм) на
столике микроскопа при десятикратном увеличении, как пока-
зано на рис. 10. Механическая прочность приемников повы-
шается, если придать им цилиндрическую форуму. Делают это
следующим образом: приемник помещают на лист тонкой папи-
Рис. 13. Кварцевые нити, отмеченные стрелками, накладывают
поверх приемников и крепят к опорным проволокам тонким
слоем лака.
а—крепление приемников; б — совсем законченная термопара.
росной бумаги, лежащей на промокательной бумаге, и к нему
прижимают палочку диаметром около 0,5 мм (рис. 10). Лучше
всего брать для приемников золото, так как оно легче
спаивается.
Маленький кусочек металла Вуда расплавляют излучением
короткой накаленной спирали прямо на месте спая и смачивают
паяльной жидкостью. Это обеспечивает крепление приемника.
Золотой приемник приводят в соприкосновение со спаем термо-
пары и припаивают, нагревая его излучением от раскаленной
проволоки (рис. 11). Слабое смещение края приемника показы-
вает, когда надо прекратить нагревание.
Когда приемники припаяны, их чернят ламповой сажей или
каким-нибудь другим материалом для чернения с добавлением
очень маленького количества клея для связи. Эту краску наносят
на приемник маленькой кисточкой из верблюжьего волоса, как
показано на рис. 12.
Для увеличения прочности поверх каждого приемника укреп-
309
ляют две кварцевые нити (рис. 13). Эти нити настолько тонки
и при этом настолько плохо проводят тепло, что получающийся
при их употреблении выигрыш в прочности вполне компенсирует
те ничтожные потери тепла, которые они вызывают.
Рис. 14. Один из видов баллона.
1—конический шлиф; 2—термопары; 3—пришлифованный фланец; 4—
окошко (кварц, парафин или каменная соль); 5— кусок кальция; 6— воск
или апьезон wW“; 7—место отпаивания; 8—готовая к употреблению термо-
пара; 9— камера покрыта кальцием; 10— кусочки кальция.
Различные способы приготовления терморадиометров
Некоторые экспериментаторы предпочитают делать сосуд дл5
вакуумных терморадиометров из стекла. На рис. 14 приведем
313
обычный тип такого стеклянного баллона. На рис. 15 показано,
как следует укреплять спаи в поле зрения бинокулярного микро-
скопа.
Таблица 1
Материалы для окошек термоэлектрорадиомегров
— Материалы окошек Спектральная область для наблюдений
Кристаллический кварц Флюорит NaCl КС1 КВг KJ Парафин с высокой точкой плавления Кристаллический кварц ультрафиолетовая до 3,5 р. ультрафиолетовая до 9 р ультрафиолетовая до 17 р ультрафиолетовая до 21 р ультрафиолетовая до 30 р ультрафиолетовая до 35 р 20 р до со 45 р до со
Выбор материала для окошка обусловлен той спектральной
областью, в которой термопара будет применяться. Правильно
подобрать окошко можно на основании данных табл. 1.
Рис. 15. Изгибание и выпрям-
ление термоспаев в поле зре-
ния бинокулярного микроскопа.
1—объективы бинокулярного микро-
скопа; 2— металлическая колодка в
качестве держателя; 3—опора для
руки; 4— эта поверхность должна быть
на одном уровне с термоспаями.
Рис. 16. Парафиновое
окно цилиндрической
формы.
1— колпачок, выточенный из
парафина с высокой точкой
плавления; 2— спай, сделан-
ный с помощью нагревателя с
накаленной проволокэй (рис.
6, 7, 8).
Указанный в этой таблице парафин с высокой точкой плавле^
ния (60—70°), применяемый в далекой инфракрасной области
и называемый часто церезином, не следует смешивать с обычным
парафином, обладающим низкой точкой плавления (50—55°). Пара-
311
фин с высокой точкой плавления представляет собой жесткое
кристаллическое вещество, которое не деформируется под воздей-
ствием малых напряжений. Для того чтобы получить достаточную
прочность и в то же время сделать парафиновое окошко очень
тонким, предпочтительно делать его цилиндрическим. На рис. 16
изображен метод употребления парафиновой трубки, проточенной
внутри на токарном станке. Толщина цилиндрического парафи-
нового окошка достаточна не более 1 мм. Так как термопары
не видны сквозь парафиновое окошко, то приемники необходимо
устанавливать в фокальной точке излучений с помощью гальва-
нометра.
Хотя для изготовления термоэлектрических проволок и реко-
мендуется способ Тейлора, однако столь же тонкие проволочки
можно получить и по способу профессора А. Г. Пфунда путем
раздавливания расплавленного металла на стеклянной пла-
стинке и отбора затем маленьких проволочек, которые случайно
образуются, или вырезывая лезвием бритвы из образовавшейся
на стекле тонкой фольги узенькие ленточки. Недостаток получен-
ных таким способом нитей—трудность подобрать из них под-
ходящий для спаев материал вследствие их неравномерности.
Один из способов спайки проволочек термопары и крепления
приемников заключается в получении спаев с помощью разряда
конденсатора. Этот способ подробно описан в статье проф. Карт-
райта (Л. VIII, 13). Приемник можно просто приклеить к термо-
спаю с помощью апьезоновой замазки ,,W“.
Значительно легче приготовить по этому способу электро-
радиометр с несколькими последовательно соединенными спаями
(термоэлектрическую батарею) и приклеить к ним один большой
приемник, чем выполнить весьма тонкую работу по припаиванию
отдельных маленьких приемников к каждому спаю. Электриче-
ская изоляция между спаями термоэлектробатареи достигается
нанесением тончайшего слоя лака на каждый спай до того,
как они будут покрыты замазкой, служащей для крепления
приемников.
Некоторые экспериментаторы, изготовляя термопары, выпол-
няют отдельные операции почти в обратном порядке. Они сначала
делают термоспай, потом к спаю крепят приемник и, наконец,
готовую термопару припаивают к опорным проволокам (Л. VIII, 25).
Такой способ особенно удобен при изготовлении термоэлектро-
радиометра с маленьким круглым приемником, наиболее
удобным для звездной радиометрии. Для того чтобы сделать
звездную термопару, можно припаять к спаю относительно боль-
шой кусок металла Вуда так, чтобы около места соединения
образовался маленький металлический шарик, затем его сплющи-
вают, и он обращается в плоский круглый приемник нужного
диаметра.
Профессор Пфунд изготовляет термопары, плотно прижимая
друг к другу две термоэлектрические проволочки (луженые тон-
312
ким слоем металла Вуда) на пластинке из полированной стали,
нагретой приблизительно до 100° С (Л. VIII, 46). Таким же спосо-
бом можно припаять к спаю и приемник желаемой формы. На рис. 17
изображено специальное приспособление для выполнения этих
манипуляций, сделанное из старого двухполюсного рубильника.
Обычно для „зачернения* приемника рекомендуется ламповая
сажа, однако в некоторых специальных случаях лучше пользо-
ваться материалами, селективно поглощающими свет (Л. VIII, 54, 26,
45, 51). Так, например, термопара, применяемая для исследования
в далекой инфракрасной области спектра между длинами волн в
зачерненные" стеклянным
52 и 152 р, должна иметь приемники,
порошком. Для работы в видимой и
ультрафиолетовой части спектра осо-
бенно пригодна платиновая чернь,
электролитически осажденная на при-
емник.
Потери тепла за счет излучения
приемника определяются прежде
всего эмиссией лучистой энергии при-
емником в спектральной области око-
ло Юр- (область, в которой при комнат-
ной температуре располагается макси-
мум радиации абсолютно черного
тела). Излучение платиновой черни
в области около 10 р невелико — не
более 20% от излучения абсолютно
черного тела. Поэтому применение
платиновой черни понижает потерю
тепла так что эффективность при-
емника, покрытого платиновой чернью,
для видимого света равна пятикратной
эффективности приемника, покрытого
другим материалом, столь же черным
для „теплового" далекого инфракрас-
ного спектра, как и для видимого
спектра. Наряду с увеличением чув-
ствительности это дает еще и то
преимущество, что позволяет уменьшить число спаев, необходи-
мое согласно расчетам для получения максимальных отсчетов.
В ультрафиолетовой области для приемников рекомендуется
незачерненное серебро.
На рис. 3 было показано применение активированного древес-
ного угля для поддержания высокого вакуума в термопаре.
Другой способ для достижения той же цели заключается в приме-
нении кальция в качестве „геттера". Этот способ был с успехом
испытан д-ром Пти в обсерватории Маунт-Вильсон. Он заклю-
чается в простой замене в термопаре, изображенной на рис. 3,
активированного древесного угля свеженапиленными опилками
Рис. 17. Прибор Пфунда для
соединения термоспаев, пред-
назначенных для спаивания;
термоэлектрические проволоки
помещаются на метку и к ним
прижимают шишечку рубиль-
ника.
1—старый рубильник; 2—стальная
пластинка; 2— шишечка; 4— метка,
куда ударяет шишечка; 5—стальной
блок; 6—полированная поверхность,
подогретая до 100е; 7 — фарфоровая
трубочка с нагревательной проволо-
кой.
313
кальция. Эти опилки кальция прокаливаются, пока трубы еще
соединены с насосом. Затем время от времени, когда чувстви-
тельность термопары падает, вследствие понижения вакуума,
максимум чувствительности может быть восстановлен простым
нагреванием кальция.
Применение особо чувствительных термоэлементов
Лучистая энергия, сфокусированная на действующей поверхно-
сти приемника термоэлемента, обычно периодически прерывается,
чтобы отделить действие этой измеряемой радиации от влияния
других случайных излучений, попадающих на приемник. Пери-
одическое изменение отклонения гальванометра, вызываемое
этими перерывами измеряемого пучка лучей, обусловливается
изменением разности температур спаев, вызываемой поглощаемой
ими измеряемой лучистой энергией. Имея в виду, что при тонких
измерениях изменение температуры может получаться иногда
не более чем на 10“6 °C, необходимо прерывать свет очень
осторожно, чтобы в первую очередь по возможности избежать
сползания нуля гальванометра, которое получается вследствие
медленного нагревания или охлаждения среды, окружающей тер-
мопару. В результате для контролирования положения нуля
гальванометра требуется столько же времени, сколько это
необходимо для отсчета отклонения, вызванного измеряемой
энергией.
Понятно поэтому, насколько важно проследить за правильным
выбором наилучшего положения затвора в оптической системе.
Так, например, необходимо, чтобы изменение падающей на термо-
элемент лучистой энергии, происходящее вследствие закрывания
затвора, было бы точно таким же, какое получилось бы при
удалении источника измеряемого излучения без всякого изменения
положения каких-либо других предметов, „видимых" термопарой.
В противном случае изменение их излучения, воспринимаемое
термопарой при закрывании затвора, может искажать измерения.
Чтобы устранить эту возможность, затвор должен быть помещен
перед входной щелью спектрометра, а не после выходной щели.
Компенсированные термоэлементы
Если главные причины сползания нуля в гальванометре можно
устранить даже при некомпенсированном термоэлементе, при
условии достаточной продолжительности отсчета, то другие,
более деликатные причины сползания нуля, происходящие
главным образом вследствие изменений в самой величине
сползания, могут быть устранены только применением двух
компенсированных термоэлектрорадиометров.
Практически обычно трудно подобрать два такие взаимно
314
компенсирующие друг друга приемника, которые могли бы умень-
шить сползание нуля гальванометра более чем на 90%; однако
возможна более полная компенсация шунтированием электриче-
скими сопротивлениями той из двух термопар, которая окажется
более чувствительной; все равно — той, которая измеряет радиа-
цию, или той, которая служит для компенсации. Величина шун-
тирующего сопротивления подбирается экспериментально. Когда
шунтирующее сопротивление имеет надлежащую величину, тогда
даже резкие изменения температуры среды, окружающей прибор,
где находится термоэлектрорадиометр, могут вызвать лишь
ничтожные отклонения гальванометра.
Если подбору компенсирующей термопары было уделено
достаточно внимания, то шунтирующее сопротивление окажется
настолько большим, что общая чувствительность всего прибора
при его включении заметно не уменьшится.
Простой способ испытать надежность компенсации состоит
в приближении горячего паяльника к термоэлектрическому ком-
пенсированному радиометру (спаи навстречу друг другу) на рас-
стоянии нескольких сантиметров. Если, например, включена по ком-
пенсационной схеме (рис. 1) обычная двойная термопара, то при
этом смещение нуля у гальванометра должно оказаться меньше
примерно в двенадцать раз по сравнению с отклонением от
одной и одиночной термопары, а затем его можно еще уменьшить
раз в сто при помощи подбора шунтирующего сопротивления.
Обычно энергия, которую надлежит измерять, концентрируется
на одном из двух приемников; тогда второй компенсирую-
щий приемник действует как внешнее сопротивление в цепи
гальванометра, и поэтому отклонение гальванометра должно
несколько уменьшиться. В большинстве случаев степень умень-
шения сползания нуля при применении сначала первого приема,
а потом второго свидетельствует о совершенстве компенсации
и возможности получать малые отсчеты.
Другой способ применения компенсированного включения
заключается в том, что изображение выходной щели спектро-
метра направляют на оба приемника, а затвором перед входной
щелью спектрометра затемняют сперва одну половину щели,
сфокусированную на одном приемнике, а затем вторую половину,
сфокусированную на другом приемнике (Л. VIII, 2). Таким обра-
зом, на площадь каждого из двух приемников приходится поло-
вина площади щели.
Тогда получаются отклонения гальванометра в разные стороны,
и^ сползание нуля исключается. Теоретически эта схема должна
обладать большей (на 40%) чувствительностью, чем обычный
скомпенсированный термоэлектрорадиометр, у которого площадь
измерительного приемника равна площади компенсирующего и
перекрывается всей площадью щели.
Чтобы получить этот же выигрыш в 40%, можно восполь-
зоваться другим, менее желательным приемом: заставить зерка-
315
ло, применяемое для концентрирования лучистой энергии, выхо-
дящей из выходной щели на приемник, периодически покачи-
ваться так, чтобы изображение выходной щели спектрометра
покрывало сперва целиком один, а затем другой приемник.1
Вспомогательные приборы
Обычно с термоэлектрорадиометром применяется гальвано-
метр, имеющий период около 7 сек. и сопротивление около
10—15 ом. Чтобы производить точные измерения, проводники,
идущие от радиометра к гальванометру, должны быть электри-
чески хорошо заэкранированы во избежание индуктирования
в них переменных токов от блуждающих электромагнитных
полей.
Если проволоки заэкранированы недостаточно тщательно, то
индуктируемые в них переменные токи детектируются от-
части термопарой, особенно в некомпенсированной схеме, и вызы-
вают ложные отклонения гальванометра.
Простейший способ точного измерения отклонения гальвано-
метра состоит в наблюдении перемещений изображения хорошо
освещенной шкалы, отражающейся в зеркальце гальванометра
с помощью зрительной трубки. Гальванометр должен быть уста-
новлен так, чтобы шкала помещалась от него на расстоянии
около 5 м, а труба с 32-кратным увеличением как можно ближе
к гальванометру. Тогда в зеркальце гальванометра диаметром
в 10 мм можно будет видеть миллиметровые деления на шкале,
находящейся на расстоянии 5 м, настолько отчетливо, что откло-
нения можно отсчитывать по шкале с точностью до малых до-
лей миллиметра. Недостаточную отчетливость видимого в трубу
изображения шкалы часто ошибочно приписывают дефектам
зеркальца гальванометра; но обычно она обусловлена оптическим
несовершенством стекла, из которого сделано окошечко гальва-
нометра. Тем не менее существует предел отсчетов, зависящих
от размеров зеркальца гальванометра, обусловленный явлением
дифракции.
Простое правило для оценки этого предела можно форму-
лировать так: расстояние до шкалы, измеренное в метрах, не
должно быть больше, чем диаметр зеркальца гальванометра,
измеренный в миллиметрах. Таким образом, при расстоянии до
шкалы в 5 м зеркальце гальванометра должно быть не менее
5 мм в диаметре, чтобы изображение было достаточно четким.
При этом необходимо помнить, что отклонение на эд мм шкалы
на расстоянии 5 м соответствует неизбежным естественным
1 Это усложняет эксперимент, но позволяет воспользоваться принципом ре-
зонанса, если удалить из цепи гальванометра критическое сопротивление и
подобрать период качания собирательного зеркальца точно равный собствен-
ному периоду гальванометра. Однако новые источники погрешности могут обесце*
нивать точность получаемых отсчетов. Прим. ред.
316
флуктуациям в положении гальванометра вследствие его ороу-
новского движения от ударов молекул воздуха.
Точность, с которой может быть сделан отсчет положения
креста нитей в трубе на миллиметровой шкале, оказывается на
практике гораздо выше, чем это можно предполагать. Одним
из обязательных практических экспериментов для студентов
одного из университетов состоит работа в определении поло-
жения меток, сделанных на миллиметровой шкале. Все метки
нанесены с помощью делительной машины так, что их положе-
ние известно очень точно. Хотя ширина черточек около 0,1 мм,
студенты должны определять положение каждой черточки
с точностью до 0,01 мм. При определении их положения студенты
редко делали ошибки более 0,1 мм, а вероятная ошибка наблю-
дателя, получившего некоторый навык, не превышает 0,03 мм
для отдельного отсчета. Понятно, что отсчет отклонения галь-
ванометра легко можно оценить с точностью примерно 0,05 мм.
На оис. 18 изображена остроумная и точная установка, предложен-
Рис. 18. Установка для увеличения отсчетов гальванометра по Черни.
1—гальвчнометр; 2—автомобильная лампа; 3—щель около 1 р шириной; 4—плоскопараллель-
ные стеклянные пластинки на вертикальных осях или на центрах; 5— зрительная труба; 6— 120-крат-
ный отсчетный микроскоп с 8-кратным объективом; 7— наблюдатель.
А — рычаг для регулировки параллельных пластинок для компенсации отклонений гальванометра;
В—шкала тангенсов. Положение рычага Л, отсчитанное на этой шкале, пропорционально
отклонению гальванометра: С— рычаг для установки „нуля"; D — сетка в микроскопе — ее
.наилучшая форма и изображение щели при отсчете.
пая проф. Черни для измерения величины самых малых откло-
нений гальванометра (Л. VIII, 23, 22).
Реле
Для точных отсчетов отклонения гальванометра рекомен-
дуется применять „оптическое усиление". Когда особенно жела-
тельно зарегистрировать результаты радиометрических измерений
317
фотографическим способом, первичные непосредственные откло-
нения следует усилить с помощью особого рода реле и закре-
пить на движущейся фотобумаге отклонение второго гальвано-
метра в увеличенном масштабе. С помощью термореле Моллт
п Бургера первичные отклонения гальванометра могут быть
настолько увеличены, что его броуновское движение станет отчет-
ливо заметно (Л. VIII, 37). В других оптических усилителях опи-
санный способ увеличения отклонений применяется с вентиль-
ными фотоэлементами или с термоэлектрорадиометром, обла-
дающим двумя приемниками треугольной формы, описанным
Картрайтом (Л. VIII, 12). Для этой же цели применяется фотореле
типа Барнеса (Л. VIII, 3) и Матосси, которое можно сделать
резрезав фоточувствительную поверхность селенового фотоэле-
мента по диаметру на две части так, чтобы образовались две
почти соприкасающиеся полукруглые фоточувствительные
площадки, соединенные последовательно навстречу друг
другу. Устройство усилителя такого рода изображено на рис. 17
главы X.
Значительно точнее и проще в изготовлении оптическое реле,
предложенное проф. Б. А. Остроумовым, с двумя серно-сереб-
ряными фотоэлементами и призмой полного внутреннего отра-
жения. Луч света от гальванометра сквозь переднюю грань призмы
направляется перпендикулярно к ней изнутри на ребро противо-
лежащего двугранного угла и делится па две части, испытываю-
щие полное внутреннее отражение, в противоположные стороны.
Эти отраженные лучи падают на два серно-серебряные фотоэле-
мента, включенные навстречу друг другу. Самое ничтожное пере-
мещение зайчика в плоскости, перпендикулярной к ребру призмы,
вызывает изменение в освещенности фотоэлементов и, следова-
тельно, изменение тока в гальванометре. Перемещение зайчика на
0,1 мм, соответствующее повороту зеркальца на 0,6—0,7 мин., легко
заметить при световом плече длиной всего 250—270 мм, даже если
в цепи фотоэлементов будет относительно малочувствительный
гальванометр. Такое реле можно изготовить в течение 1 часа.
Подбора одинаковых фотоэлементов при этом не требуется,
потому что они уравновешиваются при установке нуля всего
устройства. Резкое разделение светового потока острым ребром
призмы, дающее возможность пользоваться зайчиком в форме
изображения узкой щели, параллельной ребру, и высокая инте-
гральная чувствительность фотоэлементов обусловливают получе-
ние большей точности по сравнению с другими типами опти-
ческих реле.
Изложенные выше способы увеличения отклонений гальва-
нометра усиливают вместе с тем и сползание нуля первичного
гальванометра. Это совершенно нежелательно.
Пфунд и Харди предложили резонансный радиометр, которым
можно ликвидировать это сползание нуля и отделить его от
отсчетов измеряемого излучения (Л. VIII, 27, 44). Их схема
318
оказывается довольно сложной и требует применения затвора
в виде маятника, настроенного на частоту двух совершенно
одинаковых гальванометров.
Тем не менее этот прибор имеет значительные преимущества
перед другими, особенно когда термопара не может быть защи-
щена соответствующим образом от внешних термических воз-
действий.
Пфунд описывает свой резонансный радиометр следующими
словами:
„Если и первичный и вторичный гальванометры не перезату-
шены и настроены точно на один и тот же период, то при пре-
рывании потока излучения, падающего на термопару, с частотой,
соответствующей частоте колебаний гальванометров, наблю-
дается явление резонанса. Как всегда, системы, настроенные в ре-
зонанс, отличаются исключительно высокой чувствительностью
к возбуждающим воздействиям, настроенным на ту же частоту,
и весьма мало чувствительны ко всяким периодическим воздей-
ствиям иной частоты
Эта пониженная чувствительность к любым другим частотам,
к сожалению, не распространяется на броуновское движение пер-
вого гальванометра. Харди измерил действие броуновского дви-
жения на резонансный радиометр и нашел, что его флуктуации
сказываются на отклонениях второго гальванометра в сильно
увеличенном масштабе в полном соответствии с теоретическими
расчетами размеров флуктуаций, обязанных своим происхожде-
нием броуновскому движению. Тем не менее Харди нашел, что
точные измерения до этого естественного предела значи-
тельно облегчаются применением резонансного термоэлектро-
радиометра (Л. VIII, 53).
Главным недостатком резонансного радиометра является край-
няя медлительность отсчетов с ним: требуется 90 сек., чтобы
произвести одно измерение. Файрстон (Л. VII, 24) предложил
новый, исключительно остроумный вариант схемы Пфунда- Он
основан на разряде и заряде через второй гальванометр конденса-
тора, включенного в цепь, питаемую усиленным током от ском-
пенсированной термопары. В качестве оптического усилителя
в нем применяется пара фотоэлементов. Конечно, поскольку цепь
гальванометра имеет на выходе бесконечное омическое сопро-
тивление, обусловленное наличием в цепи конденсатора, посто-
янный ток не может течь, и все показания гальванометра являются
отклонениями зайчика в ту или другую сторону от неизменной
точки нуля.
Мы уже отмечали, что применение компенсированного термо-
электрорадиометра важно как для уменьшения сползания нуля
гальванометра, так и для того, чтобы сделать электрическую
цепь нечувствительной к высокочастотным электромагнитным
излучениям. Для наиболее точных измерений, кроме того,
необходимо иметь гальванометр, полностью защищенный от меха-
319
нических колебаний. Это можно достичь, применив антнвиб раци-
онную установку того типа, который изображен на рис. 19.
Описание этой антивибрационной установки дано в гла-
ве XIV, стр. 584.
Изготовление термоэлементов при помощи испарения
и катодного распыления
Термопары и термобатареи находят себе и другие весьма
многочисленные применения, например их употребляют в чувст-
вительных термоэлектрических вакууметрах для измерения пере-
Рис. 19. Подставка для гальванометра, свобод-
ная от колебаний.
.Фанерный треугольник, на который поме-
щается гальванометр, должен быть нагружен
такой тяжестью, чтобы собственные колебания
подставки имели период около 2 сек.
1—тазы, наполненные маслом; 2—1,25 см фанера; 3—
стальные стержни 00,95 см; 4—стальные стержни 00,23
см; Б— гальванометр; 6— здесь могут быть помещены
клин) я при регулировке; 7—1,25 см фанера; 8—устано-
вочные винты.
менных токов, для изме-
рения силы звука, для
увеличения отклонения
зайчика в термореле и
для пирометров интег-
рального излучения.
Мы не можем входить
в детали всех этих при-
менений, но этой главой и
цитированной в указателе
литературой может руко-
водствоваться всякий экс-
периментатор, работаю-
щий в этой области. Од-
нако изготовление термо-
элементов испарением и
катодным распылением
требует более подробно-
го описания.
Термоэлементы, изго-
товленные из двух тон-
чайших пленок металлов,
дающих значительную
те рмоэле кт род в и ж у щ у ю
силу, полученные испаре-
нием или распылением,
могут быть изготовлены
так, что их теплоемкость
будет минимальная. Она
может быть столь мала,
что уже позволит отме-
чать адиабатические на-
гревания и охлаждения
от отдельных звуковых
волн при частоте до 5000
циклов (Л. VIII, 29)
320
Одной из таких тончайших металлических пленок может
служить слой чистого висмута, а другой — слой сурьмы. Подлож-
ка, на которой отлагаются эти тончайшие слои, должна быть
исключительно тонкой и крепкой. Для этих целей пригодны
пленки из стекла, слюды или пленки различных лаков.
Если тонкостенную стеклянную трубку расплавить с одного
конца и сильно раздуть с большим давлением воздуха так, что-
бы образовался и потом лопнул тонкостенный баллон, то из его
стенок можно отобрать тончайшие кусочки и пластинки около
1—2 мм шириной и 1—2 см длиной.
Эти полоски имеют такую ничтожную толщину, что дают
яркую интерференционную окраску и представляют собой весьма
подходящую подложку для термоэлементов, получаемых путем
испарения.
Если листочки слюды навернуть вокруг палочки диаметром
около 2 мм так, чтобы одна из кристаллографических осей
в слюде была направлена параллельно оси палочки, то в нем
возникнут срезывающие напряжения. Эти напряжения вызовут
расслаивание, так что если после этого листочек расщепить, то
получатся полосы от 1 до 0,1 мм ширины, толщиной, судя по
их интерференционной окраске, порядка Ip- или еще тоньше
(Л. VIII, 7).
Пленки, пригодные в качестве подложек для термоспаев или
для других целей, можно изготовить, капнув жидкий раствор
лака на свободную от пыли поверхность дестиллированной воды,
налитой в широкий сосуд (Л. VIII, 28, 21).
Поверхностное натяжение заставит каплю растянуться во
все стороны так, что на воде образуется жидкая пленка, покры-
вающая около половины всей водяной поверхности.
Вскоре лак затвердевает, как только испарится растворитель.
На рис. 20 изображено, как такую пленку следует снимать с во-
дяной поверхности на металлическом каркасе.
Изменяя концентрацию раствора лака, прежде чем капать
его на воду, достигают желаемой толщины пленки. Особо тонкие
и однородные пленки получаются на воде, охлажденной до 0° С.
Можно получить пленки толщиной менее 5» 10~с см. Двойные
пленки, получающиеся на каркасе, как показано на рис. 20,
прочнее, чем одинарные пленки двойной толщины. Это объяс-
няется тем фактом, что в случае двойной пленки более слабые
участки поверхности одной пленки редко приходятся против
слабых участков поверхности другой пленки. Для получения
очень прочных пленок применяют в качестве растворителей
метил- и этилацетат, в которых растворяют 2 части ацетата целлю-
лозы и 1 часть глипталевого лака при 0° С. Когда металл для
термоэлемента получается способом испарения на подложке из
такой пленки, теплота конденсации металлического пара, равно
как и теплота, излученная нитью накала, с которой происходит
испарение, поглощаемая пленкой, неизбежно повышает тем-
21 Стронг
321
пературу подложки. Такое повышение температуры подложки,
когда уже может начаться разрушение вещества пленки, необ-
ходимо предотвратить. Для этого в камере, где происходит ис-
парение металла, подложки из пленок располагают на поверх-
ности ртути или, еще лучше, на поверхности отполированной
холодной медной болванки. При изготовлении термоспаев но
способу, описанному Бургером и Ван-Циттертом (Л. VIII, 7), обычно
применяют висмут и сурьму. При этом слой висмута должен полу-
чаться толщиной около микрона, а слой сурьмы в два раза тонь-
ше. Истинный вес испарившегося и конденсированного металла
определяют простым вычислением при помощи формулы (2) в главе
IV. Площадь, покрытую металлом, определяют по шаблону.
Полоска висмута, который надо испарять первым, должна не-
много (примерно на 0.22 мм) заходить за точку, которая нахо-
Рнс. 20. Получение тончайших пленок.
I—провол энная рамка (погруженная); 2—капли лака; 3—блюдо с водой;
4— проволочная рамка (поднятая); Г— двойная пленка из лака.
дится на середине термоспая. Затем полоской сурьмы, которую
испаряют после висмута, перекрывают середину спая на те же
0,2 мм, но в другую сторону. Площадка, где обе полоски пере-
крывают друг друга, и образует сам термоспай. Последний
на определенной площадке покрывают также при помощи испа-
рения висмутовой, сурьмяной или цинковой чернью, ограничивая
эту площадку трафаретом. Для обеспечения надлежащего кон-
такта между этими полосками и проводящими ток проводника-
ми в определенных точках на ней осаждают золото или путем
его испарения или способом катодного распыления. Тогда сое-
динительные проволочки можно припаять к золоту.
Кристаллы висмута, образующиеся в толще полосок при конден-
сации его паров, располагаются так, что их оси устанавливаются
перпендикулярно к подложке. При такой ориентации кристаллов
получается электродвижущая сила по отношению к сурьме
в 75 микровольт. Оптимальная ориентация кристаллов, которой
однако при испарении добиться нельзя, дала бы термоэлектродви-
жущую силу приблизительно в два раза больше этого значения.
Термоспаи, полученные испарением, особенно пригодны для
устройства термореле Моля и Бургера. Бургеру и Ван-Циттерту
322
удалось этим способом добиться чувствительности в два с по-
ловиной раза большей, чем та, которая получается с обычными
термоэлементами Моля и Бургера из прокатанной „ терможести
Теоретические вопросы, связанные с расчетом и конструкцией
термоэлектрорадиометров.
Термоэлемент, изображенный на рис. 1 (стр. 302) и описан-
ный выше, может удовлетворить большинству требований экспе-
риментатора при измерении лучистой энергии. Однако некоторые
экспериментаторы, особенно заинтересованные в исключительно
точных измерениях, должны заинтересоваться способами предва-
рительного теоретического расчета для наивыгоднейшей конст-
рукции термоэлектрорадиометра. Например, экспериментатор,
которому нужно изготовить вакуумный термоэлемент с заданной
площадью приемника, должен предварительно проделать некоторые
вычисления и подобрать другие параметры прибора. Он должен
решить, какие металлы ему целесообразно выбрать для изгото-
вления термоспаев, определить, какое количество термоспаев при
этом наиболее выгодно, а также решить, каким веществом следует
покрыть приемник. Может случиться, что ему окажется выгоднее
сконструировать термоэлектрорадиометр для работы при атмо-
сферном давлении. Это бывает не редко.
Уравнения, выражающие математическую зависимость откло-
нения гальванометра от числа спаев, площади приемника, термо-
электродвижущей силы материалов спая, его сопротивления и т. д.,
полностью разработаны (Л. VIII, 11). Основанные на этих уравнениях
вычисления требуют прежде всего знания термоэлектрических
параметров материалов термосная: их взаимной термоэлектродви-
жущей силы, электропроводности, теплопроводности и теплоем-
кости. Для этих вычислений нужно также знать оптические свой-
ства воспринимающих излучение поверхностей: коэфициенты их
излучения и отражения для различных длин волн.
Зная все эти величины, можно рассчитать и сконструировать
термопару, которая будет давать оптимальные показания при
заданных условиях работы.
Отсчеты, которые может дать термоэлектрорадиометр, зави-
сят от его чувствительности, которая может характеризоваться
числом Q, выражающимся:
(2)
где:
Ф —лучистая энергия, падающая на приемник в единицу
времени,
I—ток в цепи гальванометр — термоэлемент и
R — полное сопротивление цепи.
Число Q является как бы коэфициентом полезного действия
и зависит от получающейся в цепи электрической мощности.
21* 323
Оно определяет ту мощность, которую измеряемая лучистая
энергия превращает в отклонение гальванометра.
Число Q для некомпенсированного вакуумного термоэлектро-
радиометра с п спаями в функции от различных его параметров
в первом приближении может быть выражено:
пР
j/ Rt -г Rg -f Re
4<в А Т’ + — (V Wt + V г,)2 +
Pt
ti-PT 1
(3)
где I—термоэлектрический ток в цепи термоэлемент—гальвано-
метр, R— полное электрическое сопротивление цепи, состоящее
из последовательных сопротивлений термопар Rt, гальванометра
R и внешнего сопротивления /?г, Р — термоэлектродвижущая
сила одного спая, выраженная в вольтах на градус (стоградус-
ной шкалы), з—постоянная излучения Стефан-Больцманна, А—
площадь приемника, Т—абсолютная температура приемника,
£ —коэфициент излучения (эффективный), и 1Г2—коэфи-
циенты Видеманна-Франца для материалов термосная.
Выражение в скобках представляет собою все потери тепла
приемником. Средний член в скобках — потери тепла за счет
теплопроводности через проводники. Третий член — потери тепла
от эффекта Пелтье. Обычно влиянием эффекта Пелтье при расчетах
можно пренебречь.
Первый член в скобках представляет потерю тепла за счет
излучения и теплопроводности газа. Если приемник не находится
в высоком вакууме, то влияние теплопроводности газа сводится
просто к некоторому увеличению коэфициента е и, как мы уже
ранее отметили, применение приемника с малым коэфициентом
излучения при расчете термоэлектрорадиометра приводит к умень-
шению произведения еА.
Диаграммы на рис. 21 дают графическое изображение зави-
симости величины Q от произведения еЛ для разного числа спаев
при разных площадях приемника и разных сопротивлениях цепи.
Если принять е за единицу, то кривые соответствуют площадям
Л — 1 мм2 и А = 3 мм2.
Надо заметить, что эти кривые вычерчены для термоспаев,
сделанных из чистого висмута и висмута с 5°/0 олова, которые
1 ол микровольт g.
дают термоэлектродвижущую силу в 120 —----------и обладают
о ватт-ом
коэфициентами Видеманна-Франца соответственно 3- Ю-8
и 4,2 • Ю~8
Сплошные кривые относятся к простым термоэлектрорадио-
метрам, имеющим один, два, три и четыре спая, а пунктирные
324
кривые — к компенсированным термоэлектрорадиометрам с одной
и двумя парами действующих и компенсирующих спаев.
На основании ряда практических соображений желательно
иметь минимальное число спаев.
Данные, изображенные на рис. 21, облегчают достижение
Рис. 21. Номограммы для расчета чувствительности термопар.
компромисса между этими противоречивыми требованиями
практики изготовления, с одной стороны, и желанием добиться
максимума чувствительности, с другой. На основании этих кривых
не трудно убедиться, что энергия должна быть сконцентриро-
вана на приемнике наименьших размеров.
Рассматривая уравнение (3), мы убеждаемся, ^что если третий
325
член в скобках мал по сравнению с первым и вторым членами,
то чувствительность Q можно считать просто пропорциональной
термоэлектродвижущей силе Р. На практике, однако, это бывает
далеко не всегда, и металлы для термоспая следует выбирать не
только на основании их большой термоэлектродвижущей си-
лы. Действительно, громадное большинство металлов, дающих
высокую термоэлектродвижущую силу, обладает очень невыгод-
ными значениями коэфициентов Видеманна-Франца, которые в ко-
нечном итоге могут сделать их менее пригодными, чем другие
металлы, в частности указанные выше сплавы висмута, которые
невидимому являются наиболее подходящими (Л. VIII, 10).
Коэфициенты Видеманна-Франца некоторых металлов можно
вычислить, воспользовавшись следующей эмпирической формулой:
W = 2,32- 1(Г* + 3 • КГ1 Д™'1,
где р — удельное сопротивление, а Т—абсолютная температура.
Для металлов с большой электропроводностью р настолько мало,
что W для всех них можно считать одним и тем же.
Абсолютная чувствительность и минимум отмечаемой энергии
Когда число Q, выражаемое уравнением (2), сопоставляется
с величиной чувствительности гальванометра по току равной
ис полным сопротивлением цепи R, то получается суммарная
чувствительность всей установки, включающей в себя и термо-
электрорадиометр и гальванометр при его критическом сопроти-
влении. Ее мы обозначаем буквою S и можем выразить формулой:
где 6 — отклонение гальванометра, вызванное лучистой энергией Ф,
падающей на приемник в единицу времени.
Было сделано несколько попыток сравнить между собою чув-
ствительность различных радиометрических приборов, однако это
привело к некоторым противоречиям, отмеченным в литературе.
На практике при выполнении наиболее тонких радиометрических
измерений нас интересует в сущности не величина S (которая
теоретически может быть сделана произвольно большой, если
применить усилитель), а увеличение точности, с какой можно
измерить лучистую энергию в течение определенного проме-
жутка времени или, что в сущности то же самое, довести
до минимума интенсивность лучистой энергии, которая может
быть измерена в заданное время с заданной точностью. На вели-
32S
чину соответствующего наименьшего отклонения гальванометра
влияют и ее лимитируют возмущения, действующие на приборы.
Будем обозначать величину минимального отклонения гальва-
нометра, которое может быть измерено при каждом отдельном
отсчете в течение промежутка времени tCl при средней относитель-
ной ошибке g, символом 6min. До 1926 года считалось, что ослабле-
ние влияния внешних помех, от которого зависит значение 6Пнп»
обеспечивается одним только уточнением и усовершенствованием
техники экспериментирования. Изинг первый обратил внимание
на то, что наша экспериментальная техника настолько продвину-
лась вперед, что во многих случаях бП11П определяется только
флуктуациями за счет существующего всегда налицо броунов-
ского движения (Л. VIII, 31). Если считать систему термоэлектро-
радиометра защищенной от всяких иных помех, за исключением тех,
которые вызывает в показаниях гальванометра броуновское дви-
жение, то численно значение 6min легко вычислить в первом при-
ближении. В соответствии с принципом равномерного распреде-
ления энергии каждый объект с одной степенью свободы, как,
например, движущая система гальванометра, должен обладать
определенным количеством кинетической и потенциальной энергии.
Среднее значение этой кинетической или потенциальной энергии
в газе при 19°С равно:
-i-^7 = 2.10 21 ватт* сек. (5)
Среднее отклонение гальванометра, вызванное такой потен-
циальной энергией, получается из выражения:
потенциальная энергия — у КЬ 2 =-^kT, (6)
где К есть момент закручивания подвеса, а & —постоянная Больц-
манна.
Когда производится отсчет отклонения, то флуктуация 6
представляет собою неизбежную погрешность, величина которой
Следовательно, чтобы иметь вероятную ошибку при
отдельном отсчете равную g, отдельное отклонение гальвано-
метра должно быть по меньшей мере равно величине средней
флуктуации, умноженной на —:
6 = -1/—• С)
ii!in g V к
Можно показать, что это выражение имеет общую значимость
и применимо ко всяким радиометрическим приборам. Сопоставляя
327
уравнение (7) и уравнение (4), мы получим выражение для наимень-
шего количества энергии, которое может быть измерено с задан-
ной точностью:
, 6,6 X IO"11 ,ох
Ф-1п = „ ватт. (8)
Sg У k
При сравнении Фго.п различных радиометрических приборов
необходимо, однако, учитывать не только вероятную ошибку g,
но также и время t, необходимое для получения отсчета.
В случае простого гальванометра это обусловлено тем, что
значение зависит от f0 (постоянной времени гальванометра).
Значение S так же зависит от tQ и от других параметров радио-
метрических приборов.
Неправильно поэтому предполагать, как это часто делают,
что значение Фп.{п обратно пропорционально квадрату периода от-
клонения измерительного инструмента. На самом деле, в случае
термоэлектрорадиометра с гальванометром при критическом
сопротивлении, значение ФИ14п пропорционально квадратному корню
из периода гальванометра (Л. VIII, 9, 20).
Величина Ф1пН, простой термопары с гальванометром может
быть выражена, в зависимости от допустимой погрешности g,
значения Q термопары и периода гальванометра f0, следующей
формулой:
, 1,1 х 1О“10 ,пч
ф"’“=-1о7Г®атт- (9)
При помощи значений Q, изображенных графически (рис. 21),
можно оценить в первом приближении тот минимум энергии,
падающей на приемник в единицу времени, который может быть
измерен проектируемыми приборами с требуемой точностью.
Следует заметить, что чувствительность гальванометра не вхо-
дит в формулу (9). Однако выражение (9) подразумевает, что откло-
нения должны быть измерены или непосредственно или при по-
мощи усилительного приспособления с предельной точностью,
которую допускает наличие броуновского движения.
Общие замечания, касающиеся расчета и конструирования
термоэлектрорадиометров
Содержание этого раздела посвящается суммированию резуль-
татов экспериментальных и теоретических исследований, выпол-
ненных одним из авторов этой книги — проф. Картрайтом и посвя-
щенных оценке относительных достоинств различных радиомет-
рических приборов. В заключение будут сделаны некоторые
£28
общие выводы, хотя еще не безусловные и не окончательные,-
вытекающие из этих работ.
Вакуумные микрорадиометры необходимо изготовлять лишь
в тех случаях, когда требуется измерить минимальную энер-
гию Фщы, которую нельзя измерить хорошим вакуумным термо-
электрорадиометром с отдельным гальванометром. Их преиму-
щества не столь велики, чтобы отказаться от практических выгод
и удобства термоэлектрорадиометра большой чувствительности
с отдельным гальванометром.
Вакуумные болометры и вакуумные термоэлементы в насто-
ящее время имеют практически одинаковый предел 4?min. Если бы
для изготовления ленточки болометра можно было подобрать
материал с лучшими параметрами, чем никель, то это положение
изменилось бы. Газовые радиометры не могут реагировать в той
же мере, как термоэлементы, на минимальные количества энер-
гии Фшт« Прямые сравнения, выполненные автором, выявили
значительные преимущества вакуумных термоэлектрорадиометров.
Обычно же радиометры оказываются значительно более чувстви-
тельными, чем термопара с гальванометром, вследствие применения
в них более легкой подвесной системы, чем это возможно сделать
у гальванометра. Однако при этом настолько увеличивается
влияние броуновского движения, что все преимущества больших
первоначальных отклонений теряются.
Возникает чрезвычайно важный вопрос, вытекающий из при-
веденных выше соображений. Почему часто имеет место значи-
тельное разногласие в оценке чувствительности вакуумных термо-
элементов?
Ведь действительно, во многих опубликованных работах, посвя-
щенных усовершенствованию термоэлектрорадиометров, отме-
чается большое число разноречивых данных. Происходит это
потому, что очень многие вакуумные термоэлектрорадиометры не
были изготовлены с максимально возможной в каждом частном
случае чувствительностью но следующим причинам:
1. Фактическая чувствительность термоэлектрорадиометров
сильно зависит от искусства, с каким они были изготовлены.
2. В большинстве случаев термоэлектрорадиометры изготов-
лялись без предварительного расчета оптимальной конструкции;,
если же это и было сделано, то без учета необходимых данных,
относящихся к физическим свойствам примененных в них мате-
риалов.
3. Не всегда обеспечивался безусловно необходимый высокий
вакуум. Точно рассчитанный и правильно сконструированный
термоэлектрорадиометр должен быть почти в двадцать раз
чувствительнее в высоком вакууме, чем в воздухе, и при улучше-
нии вакуума от 10~3 до 10~6 мм ртутного столба чувствитель-
ность его должна увеличиться вдвое.
4. Термоэлектродвижущая сила, даваемая висмутом и сплавами
висмута, часто оказывается меньше 120 микровольт на 1°С. Не-
329-
большие примеси и загрязнения могут оказать сильное влияние
на величину термоэлектродвижущей силы висмута, действуя,
например, на ориентацию его кристаллов и т. д. В частности,
термоэлектродвижущая сила чистого висмута относительно меди
может изменяться от 57 до 107,7 микровольт на 1° С при различ-
ных ориентациях их кристаллов (Л. VIII, 6).
5. Влиянием отклонения свойств висмута и особенно сплавов
висмута от свойств, пред вычисленных на основании закона Виде-
манна-Франца, обычно пренебрегают, считая, что применены
термоэлектрические материалы с очень малым сопротивлением.
Это приводит к тому, что чувствительность определяется по левой
крутой части кривых, изображенных на рис. 21.
В действительности же предельная достижимая чувствитель-
ность термоэлемента лимитируется как раз неблагоприятными
отступлениями от закона Видеманна-Франца термоэлектрических
металлов, обладающих большой термоэлектродвижущей силой.
Однако интересно заметить, что если бы это обстоятельство
даже не имело места, то чувствительность все же была бы лими-
тирована уже за счет самой термоэлектродвижущей силы. Фор-
мула (3) показывает, что уже при термоэлектродвижущей силе
в 250 микровольт на ГС потери тепла, вызванные явлением
Пелтье, становятся равными потерям тепла, обусловленным тепло-
проводностью самих проволочек. Хотя вероятно и можно было бы
найти термоэлектрические металлы лучшие, чем висмут и сплав
висмута с 5% олова, однако достижение больших успехов в этом
направлении мало вероятно.
Следует припомнить, что хотя удельное электрическое сопро-
тивление олова в 10 раз меньше, чем висмута, сплав висмута
с 5°.о олова имеет удельное электрическое сопротивление в два
раза большее, чем чистый висмут. Это тоже следует учитывать
при выборе лучших термоэлектрических металлов. Сам висмут
является исключительно подходящим металлом для термопар
не только потому, что он имеет сравнительно большую термо-
электродвижущую силу, но и потому, что он является чистым
металлическим элементом, обладающим относительно малым
электрическим сопротивлением, и не уклоняется сильно от закона
Видеманна-Франца.
Чтобы искусственно повысить чувствительность термоэлектро-
радиометров, можно применять их, поддерживая при низких
температурах, отчего увеличивается Q, вследствие возрастания
термоэлектродвижущей силы и улучшения их свойств, связан-
ных законом Видеманна-Франца, а также значительного умень-
шения потерь тепла за счет излучения приемника. Однако
термоэлементы, работающие при температуре жидкого воздуха,
приобретают в практике много других недостатков (Л .VIII, 8).
ГЛАВА IX
ОПТИКА.
ИСТОЧНИКИ СВЕТА, ФИЛЬТРЫ И ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
Части спектра
Электромагнитный спектр естественно разделяется на область,
к которой чувствителен глаз, инфракрасную область — с часто-
тами ниже тех, которые мы воспринимаем, как красный цвет,
и ультрафиолетовую — с частотами выше, чем те, которые дают
в глазу ощущение фиолетового цвета. Эти области ограничи-
ваются примерно длинами волн, данными в табл. 1 (стр. 333).
В тексте мы будем употреблять микроны для выражения
длин волн в инфракрасной и ангстремы для выражения длин
волн в видимой и ультрафиолетовой областях. Видимый спектр
заключает в себе менее одной октавы частот, в то время как
инфракрасная область охватывает по крайней мере девять, а ультра-
фиолетовая область пять или шесть октав. Видимая часть спектра,
ультрафиолетовая и ближняя инфракрасная могут быть сфото-
графированы, что значительно облегчает их изучение.
Техника измерений спектрограмм
Для первоначального изучения спектрограммы, чтобы избе-
жать ошибок и погрешностей, необходимо овладеть той техни-
кой измерений и фиксирования данных опытов, которая грубо
представлена на рис. 1.
Для этого надо взять увеличенные отпечатки подлинных спек-
трограмм и научиться отождествлять линии железа или другие
нормальные линии, видимые в окуляре спектроскопа, с определен-
ными спектральными линиями, длины волн которых известны.
Чтобы облегчить это отождествление, на полях отпечатка
обычно надписывают длины волн железной дуги. Таким образом,
отпечаток служит документальной фиксацией внешнего вида спек-
тра, записью численных результатов измерений.
Прежде всего на полях надписывают длины волн известных
331
линий сравнения в железном спектре, потом по отношению к ним
и производят измерения положения других линий. Подлинная
спектрограмма при рассмотрении ее в окуляр спектроскопа имеет
тот же вид, что и увеличенный отпечаток, поэтому последний
и может служить для выбора и отождествления линий сравнения.
После того как для каждой неизвестной линии определены
длины волн при помощи интерполирования, их записывают на
Рис. 1. Маркировка спектрограмм.
1 — спектр алюминиевой дуги; 2 — спектр
железной дуги.
можно отметить в спектре,
спектроскопом, указаны на рис.
светлых полях отпечатка, как по-
казано на рис. 1. Тут же на полях
делают в дальнейшем заметки, когда
эти длины волн отождествляют
с названиями по таблицам Кайзера
(Л. IX, 44).
Обработку результатов измере-
ний спектрограмм всего проще про-
изводить по способу, предложен-
ному П. П. Добронравиным. (Ж.Т. Ф.,
т. X, стр. 679, 1940).
Источники света
Солнце. Солнце, естественно, дв-
ляется первым источником света, ко-
торый нам надо рассмотреть. Егосвет
находит применение в многих экс-
периментах, во-первых, благодаря
его яркости и, во вторых, благо-
даря фраунгоферовым линиям, ко-
торые представляют многочислен-
ные и весьма удобные марки на
шкале длин волн.
Фраунгоферовы линии, которые
получаемом хорошим карманным
2.
Рис. 2. Схематическое изображение спектра солнца (длита волн
в ангстремах).
Распределение энергии в солнечном спектре, наблюдаемом
сквозь атмосферу, приближается к распределению энергии для
излучения черного тела, находящегося при температуре 5400° К.
332
Световая отдача солнца оказалась около 80 люменов на ватт.
Как видно на основании рис. 3, это вероятно самая высокая све-
товая отдача, какую возможно достичь при помощи нагревания
предметов.
Таблица 1
Разделение электромагнитного спектра
Спектральная область Пре дели длин волн
Крайняя ультрафиолетовая .... 500 А — 2000 А
Ультрафиолетовая 2000 А — 4000 А
( фиолетовая 4000 А — 4460 А
синяя (индиго) 4460 А — 4640 X
голубая 4640 А — 5000 А
Видимая зеленая 5000 А — 5780 А 1
желтая . . . • .... 5780 А — 5920 А
оранжевая 5920 А - 6200 А
( красная 6200 А — 7200 А
Близкая инфракрасная 0,72 р - 20 р
Средняя инфракрасная 20 р — 40 р
Далекая инфракрасная 40 р - 400 р
Чтобы послать в лаборатории пучок лучей солнечного света
в определенном направлении, требуется гелиостат, или целостат.
Их зеркала, которые обычно бывают посеребрены с задней
Рис. 3. Световая отдача накаленного тела в люменах на ватт
при разных температурах.
поверхности, должны быть покрыты на фронтальной поверхности
алюминием, если требуется получить в отраженном солнечном
свете полный состав солнечного спектра, вплоть до границы
поглощения его атмосферой, т. е. приблизительно до 3000 А.
Детали конструкции самодельного гелиостата, или целостата,
изображены на рис. 4 и 5. Этот целостат приводится в движение
333
Рис. 4. Конструкция гелиостата.
1— направление на солнце летом; 2 — луч, направленный
в лабораторию; 3- шнуры для малых перемещений при
установке; 4 — положение первого зеркала летом; 5 — по-
ложение первого зеркала во время равноденствия; 6 — поло-
жение первого зеркала зимою; 7 — направление на солнце
во время равноденствия; 8 - направление на солнце зимой;
9—второе зеркало; 10 — направляющие для первого зеркала
для работы до полудня; 11 — направляющие для первого
зеркала для работы после полудня(перенос первого зеркала
с одних направляющих на другие необходим, чтобы избежать
попадания на него тени от второго зеркала в полдень).
Второ? зеркало можно направить и вниз сквозь отверстие в
крышке стола, если это будет нужно.
часовым механизмом будильника; он может быть приведен в дви-
жение и при помощи механизма электрических часов. Второе
зеркало целостата имеет приспособления для регулировки хода
и управления при помощи ременной передачи.
Вольфрамовые лампы. Самым удобным источником белого
света являются вольфрамовые лампы накаливания. Их отдача —
около 11 люмен/ватт
для лампы типа со спи-
ральной нитью, накали-
ваемой в азоте.
Разница в распре-
делении энергии в
спектре различных
ламп с вольфрамовой
нитью представлена на
рис. 6, главы XI.
Спектр излучения
нити ограничивается в
ультрафиолетовой и
инфракрасной областях
коэфициентом пропус-
кания стекла.
В стеклянном бал-
лоне с толщиной сте-
нок мм спектр за-
метной интенсивности
простирается до 3100 А
в ультрафиолетовой и
до 3 (л в инфракрасной
области. Два источника, часто применяющиеся в лабораторной
практике, изображены на рис. 6.
Первый из них, изображенный слева,—так называемая „банд“-
лампа с накаленной ленточкой из вольфрама или тантала. Она
потребляет 6 вольт при 18 амперах. Источником энергии для
этой лампы служит автотрансформатор (или аккумуляторная ба-
тарея большой емкости). Конечно, в тех случаях, когда важно
обеспечить постоянство и устойчивость излучения, следует пред-
почесть батарею. Автотрансформатор может быть столь же наде-
жен, как и батарея, в случае, если он получает энергию от ста-
билизатора напряжения типа „Рейтеон*'.
В СССР ленточные лампы разработаны инж. С. И. Левико-
вым (Государственный Оптический институт).
Лампа, изображенная на рис. 6 справа, имеет прямолинейную
спиральную нить. Она — маломощная и применяется главным
образом в качестве осветителя для гальванометра.
Кроме этих ламп, заслуживают внимания следующие:
1) точечная лампа на 4 вольта, 4 ватта с волоском в виде
334
коротенькой спиральки, дающая источник света, имеющий экви-
валентную площадь 0,8 X 0,7 мм;
2) так называемая „котельная" лампа с коротким U-образным
волоском, 11 вольт, 100 ватт;
Рис. 5. Детали крепления первого зеркала гелиостата.
1 — деталь крепления оси; 2— угол широты места; 3—червячный привод; 4 — гайки с накаткой
для поворота от руки при установке; 5— кардан для соединения с осью часов; 6—часы (будил!-'
ник); 7 — ось с оборотом в течение часа; 8 — противовес; 9 — ось с оборотом с востока на запад
в течение 48 часов; 10 — зеркало; 11 — лапки для закрепления зеркала; 12 — футляр зеркала;
13 — притертый подпятник; 14 — кривошип для поворота края зеркала при установке; 15 — литые
опоры с подъемным устройством и креплением; 16 — установочные винты, на которые опирается
зеркало; 17 —стальная ось — полярная ось (должна лежать в плоскости зеркала); 18 —железный
или алюминиевый футляр (оправа) для зеркала; 19 —гайка с контргайкой; 20 — пружинящая
шайба; 21 — зубчатое колесо с 48 зубцами для червячной передачи.
3) малая кинопроекционная лампа с волоском, приближенным
к стенке баллона, 12 вольт, 25 ватт;
4) кинопроекционная лампа, волосок которой располагается на
площади примерно в 1 см2 в виде тесно сближенных параллель-
335
них спиралей; эти лампы бывают мощностью в 300 и 500 ватт
при разности потенциалов в 120—127 вольт.
На стенке баллона вольфрамовой лампы обычно имеется
метка; если она мешает проходить свету, излучаемому лампой,
то ее можно удалить полировкой баллона крокусом на сукне
или влажной тканью с крокусом.
Лампа накаливания с кварцевым баллоном для изучения спек-
тров поглощения в ультрафиолетовой области представлена на
рис. 7.
Баллон ее содержит аргон при давлении в P '2 атмосферы. Воль-
ерам в ней можно нагревать до температуры 3100° С. Он дает
Рис. 6. „Банд“-лампа (6 вольт,
108 ватт) и автомобильная лам-
почка (4 вольта).
1 — проекция ленты лампы; 2 — вид
ленты спереди (ширина 2 мм, длина
7 мм); 3 — прямолинейная нить накала.
Рис. 7. Лампа накаливания в кварцевом
баллоне.
1 — медные стержни (вводы); 2— вольфрамовая спи-
раль, рассчитанная на 50 ампер при накале до ЗКХР С;
3 — стеклянный баллон, наполненный аргоном при
давлении в 1,5 атмосферы; 4 — спай из переходного
стекла с кварцем; 5—кварц (не содержащий же-
леза). Лампа дает непрерывный спектр до 1=2500 -л.
•сплошной спектр, простирающийся в ультрафиолетовой области
до 2500 А. При указанной температуре давление паров воль-
фрама довольно значительно, и он должен был бы естественно
покрывать черным налетом кварцевую часть баллона. Однако
вертикальные конвекционные токи аргона направляют вольфра-
мовые молекулы с нити так, что они осаждаются не на кварце,
а около цоколя баллона, где они не ухудшают качества лампы.
Сетка Ауэра-Вельсбаха. Эту огнеупорную сетку раньше
широко применяли для освещения больших общественных зда-
ний, а теперь иногда применяют для увеличения силы света
в керосиновых лампах.
Она накаливается в наружной поверхностной зоне пламени
в горелках типа бунзеновской, в которых можно получить и тем-
536
пературу приблизительно такую же, как в бунзеновской горелке
(Л. IX, 41).
Сетка в форме колпачка состоит из окиси тория с примесью
0,75 — 2,5% окиси церия, прибавленной для повышения излу-
чения в видимой области спектра.
Роль этой примеси окиси церия при отдаче световой энергии
напоминает роль сенсибилизатора для фотографической пластинки:
он вызывает появление полосы поглощения в желаемой спек-
тральной области без существенных изменений других оптиче-
ских свойств в соседних областях.
Действие окиси церия поэтому увеличивает излучение
в зеленой области на 30% по сравнению с излучением черного
тела при 1800е С, в то время как излучение в красной и синей
соответствует приблизительно цветовой температуре 1800° С
(Л. IX, 28).
Коэфициент излучения в инфракрасной области в интервале
от 0,7 р- приблизительно до 6 р у сетки Ауэра оказывается ниже
1% от излучения черного тела. Это указывает на неспособность
ее излучать энергию в этом важном участке спектра в соот-
ветствии с высокой температурой накала. Около л = 10 колпачок
Ауэра вновь приобретает коэфициент излучения, достигающий
более 75% от излучения черного тела.
Поэтому колпачок Ауэра является прекрасным лабораторным
источником света для получения радиации в этой далекой обла-
сти спектра (Л. IX, 69).
Барнес предложил нагревать колпачок острым кислородным
пламенем, направляя его под косым углом (Л. IX, 7) к поверхности.
Это обеспечивает более высокую температуру накала, а также
растянутую форму нагретого участка его, очень удобную для
освещения щели спектрометра.
Позднее Пфунд изобрел приспособление, в котором соеди-
няются два способа нагрева: электрический и пламенный, что
позволяет достигнуть еще более высоких температур (Л. IX, 65).
Штифт Нернста. Штифты Нернста делают из порошкообразной
двуокиси циркония, смешанной с 15% порошка окиси иттрия
(Л. IX, 58), спресованной в форме стерженька.
Для работы с переменным током гибкие платиновые под-
водящие проволоки бывают зацементированы на каждом конце
штифта в огнеупорных трубочках, при чем в качестве связу-
ющего применяется смесь порошков окислов с хлористым
цирконием.
Для работы с постоянным током применяют более сложный
способ прикрепления электродов. Лампа Нернста обычно работает
при 2000° К- Ее спектр простирается далеко в ультрафиолетовую
и инфракрасную области спектра. Однако за 15 р- излучение ее
оказывается ниже, чем излучение штифта Глобара.
В прежнее время на штифт Нернста возлагали большие наде-
жды, как на хороший источник света для обычного освещения,
337
2’2 Стронг
так как он дает световую отдачу около 6 люменов на ватт по
сравнению с 3 люменами на ватт, получаемыми от угольной лам-
почки.
Однако новые лампы накаливания с вольфрамовой спиральной
нитью в атмосфере азота с коэфициентом полезного действия
в 11 люменов на ватт совершенно изменили картину. Применение
штифта Нернста теперь ограничи-
Рис. 8. Характеристика барет-
тера (железо в водороде),
проволока в бареттере
вается нуждами лабораторий, где он
представляет существенное преиму-
щество в том отношении, что накали-
вается в воздухе и имеет очень удоб-
ную форму (цилиндр от 0,4 до 0,6 мм
в диаметре и длиной от 1 до 2 см) для
фокусировки на щель спектрометра.
Детали производства штифтов
Нернста описал Гриффитс (Л. IX, 33).
Так как штифт Нернста имеет от-
рицательный температурный коэфици-
ент сопротивления, то он должен быть
стабилизирован внешним сопротивле-
нием или, еще лучше, бареттером с
нитью из железной проволоки в атмо-
сфере водорода (Л. IX, 13). Железная
доводится до слабо красного каления;
ее замечательное стабилизирующее ток действие, при нагревании
в атмосфере водорода под давлением от 30 до 100 мм, предста-
влено на рис. 8.
Такой бареттер поглощает всего 10 или 15% полной мощно-
сти, требующейся для нагревания нернстова штифта.
Штифт Глобара. Этот стержень из спрессованного и подвер-
гнутого спеканию карбида кремния имеет диаметр около 7,8 мм,
а длину около 25 см.
Концы заделаны в массивные алюминиевые колпачковые элек-
троды. Напряжение в 100 вольт, приложенное к концам стержня,
доводит его до оранжевого или желтого свечения. Он может
длительно работать в воздухе при температуре значительно выше
1000° С, однако при температурах близких к 2000° С карбид
диссоциирует, входящий в его состав углерод летит и окисляется,
оставляя на поверхности чистый кремний, а в присутствии
воздуха — двуокись кремния.
Защитный слой из окиси тория, спекаемый на внешней по-
верхности штифта Глобара с хлористым торием, применяемым
в качестве связующего вещества, позволяет повышать температуру
даже выше 2000° С.
Удобный способ крепления штифта представлен на рис. 9.
В СССР штифты Глобара изготовлялись Ленинградским инсти-
тутом огнеупоров и были исследованы О. Б. Орловой в ГОИ.
Угольные дуги. В лабораториях в качестве источника света
338
широко применяют угольную вольтовую дугу. Положительный
уголь диаметром 8 мм у нее обычно устанавливают горизон-
тально; он сгорает с такой же скоростью, как 6-миллиметро-
вый вертикальный отрицательный уголь.
Соответственно этому, при наличии углей
таких размеров, можно, по мере сгорания,
сближать их в дуге автоматически при
помощи часового механизма. Угольная дуга
требует на электродах разность потенци-
алов в 40 вольт. Более высокий вольтаж
увеличивает размеры положительного кра-
тера без заметного повышения температуры
на его поверхности. На качество света,
излучаемого обычной угольной дугой, мо-
гут воздействовать фитили из солей метал-
лов, запрессованных внутрь углей. (Фто-
ристый магний часто применяют для полу-
чения дуги белого света.)
Распределение энергии в спектре уголь-
ной дуги с фитильными электродами пред-
ставлено на рис. 10. На нем изображена
кривая отклонений гальванометра в функ-
ции от длины волны, полученных при по-
мощи кварцевого монохроматора (изобра-
женного на рис. 32) и цезиевого фотоэле-
мента (см. главу X, стр. 392).
При этих опытах щель оставалась одна
и та же для всех длин волн; эта кривая
не исправлена и на коэфициенты пропу-
скания линз, дающих изображения, показан-
ные на рис. 5, глава XI, которые были при-
менены для фокусирования света. Без этих
линз спектр простирался бы дальше в уль-
трафиолетовую область (см. стр. 449).
Обычная угольная дуга имеет яркость
кратера около 13 000 свечей/см2 и световую
Рис. 9. Крепление штиф-
та Глобара.
1 — пружина; 2 — слюдяная
изоляция; 8 — слюдяная изо-
ляция; 4 — алюминиевый плун-
жер; 5 — стержень из карбида
кремния диаметр 7—8 мм, дли-
на 25 см; 6 — латунный кожух;
7 — водяное охлаждение; 8 —
отверстие для выхода излуче-
ния; 9 — медная трубка; 10 —
алюминиевая опора.
отдачу около 35 люменов/ватт.
Компания гироскопов Сперри изготовила дугу, которая имела
специальные защитные приспособления, чтобы ограничивать ток
в определенных пределах на площади вращающегося кратера
(Л. IX, 8).
Эта дуга приблизительно в 6 раз ярче, чем обыкновенная.
Луммеру (и другим) удалось получить очень высокие темпе-
ратуры в угольной дуге, помещая ее в инертную атмосферу
при высоком давлении. При давлении в двадцать две атмосферы
он смог достигнуть температуры в 7600° К» т. е. более высокой,
чем температура поверхности солнца. Яркость поверхности, по-
лученная при этой температуре, была примерно 280000 све-
22*
339
чей/см*. Технически получить такие температуры и яркости очень
трудно.
Пережигание проволочек. Самым ярким, но в то же время самым
кратковременным источником света, имеющим наивысшую цвето-
вую температуру, достигающую 8000 —10000 градусов, является
взрыв тонкой проволочки, по которой протекает разряд конден-
Рис. 10. Распределение энергии в спектре вольтовой дуги и лампы сверхвысо-
кого давления по показаниям кислороцно-цезиевого фотоэлемента, без поправок
на его чувствительность и на дисперсию.
I— 2-миллиметровая лампа Буля сфокусирована на щель монохроматора при помощи проек-
ционной линзы при токе в 2,6 ампер; 2 — положительный кратер угольной дуги сфокусирован на
щель монохроматора проекционной линзой. Уголь 0 8 мм, ток 5 ампер.
сатора при разности потенциалов на обкладках, достигающей от
10 до 100 киловольт. Разряд можно сделать почти апериодиче-
ским и длящимся стотысячные доли секунды. В течение этого
короткого времени значительная доля энергии, запасенная кон-
денсатором, затрачивается на разогревание и испарение прово-
лочки и излучается. При этом максимум излучения приходится
уже не на видимую часть спектра, а на ультрафиолетовую. Опыты
с такими источниками света описаны Александерсоном и Воде.
Этот источник света наиболее пригоден для сверхбыстрых фото-
графических снимков. К сожалению, осуществление описанных
ими установок вызывает значительные трудности.1
Гораздо легче осуществить кратковременный источник света
1 Описание и расчет необходимой установки дали К. Me Eachron: и
J. Thomason в General Electrik Review, v. 38, № 3, p. 127 (1935). Прим, pec).
340
огромной яркости, хотя и уступающий во много раз взрыву
проволочки, пропуская апериодический по возможности разряд
конденсатора большой емкости сквозь газосветную трубку, на-
пример сквозь горящую кварцевую ртутную лампу. Этим мето-
дом можно получить вспышки, следующие друг за другом через
некоторые интервалы времени и не разрушающие аппаратуры!
Железные дуги. Железные дуги применяют в лаборатории
для целей спектроскопии как в качестве источников ультра-
фиолетового света, так и в качестве стандартного источника срав-
нения. Спектр этой дуги тщательно изучен, и длины волн
спектральных линий хорошо известны так же, как влияние на
них расположения полюсов и изменения давления (Л. IX, 2, 75).
Железная дуга, предложенная Пфундом (Л. IX, 64), наиболее
подходящая для лабораторных надобностей, представлена на
рис. 11. На нижнем электроде обычно помещают кусочек окиси
железа для стабилизации дуги. Если верхний электрод сделать
из графитового стержня, то дуга будет гореть более устойчиво,
чем с железным электродом.
Рис. 11. Железная дуга по Пфунду.
а — разрез електродов: 1—латунная втулка; 2 — железо 0 6 мм; 3 —шарик
из окисн железа 0 3 мм; 4 — железо 0 12 мм;
6— штатив: 1—провода тока в 3,5 ампера при 220 вольт; 2— изолирующие про-
кладки слюды; 3 — подставка для зажима.
Некоторые заводы прожекторных углей производят графит
спектральной чистоты. Чистый графит дает только одну линию
в видимой и одну в ультрафиолетовой частях спектра. Эта
последняя линия — 2478 А.
Дугу можно зажечь, замыкая промежуток между электро-
дами кусочком угля.
Ртутная дуга низкого давления. Ртутная дуга низкого давле-
ния представляет собой очень удобный лабораторный источник
341
света. Простая самодельная конструкция ее описана Пфундом
(Л. IX, 63). Она дает много ярких линий в видимой ультра-
фиолетовой и близкой инфракрасной областях спектра. Эти линии
довольно далеко отстоят друг от друга, так что могут быть
выделены при помощи фильтров (см. табл. XI).
Ультрафиолетовый спектр дуги в трубке из плавленого кварца
простирается до 2000 А. Энергия в крайней коротковолновой
части вызывает в воздухе образование озона. По мере горения
лампы, образование озона, однако, делается все слабее и слабее,
вследствие удлинения предельной длины волны, пропускаемой
кварцем. В конце концов образование озона практически почти
прекращается. Бэл и нашел, что такой измененный кварц дает зеле-
ную флюоресценцию и приобретает вновь свою прежнюю про-
зрачность, будучи нагрет в стеклодувной горелке (Л. IX, 4).
Рис. 12. Ртутная дуга высокого давления. Общая длина 160 мм.
1—катушка сопротивления в противовесе, отрегулированная на 110 или
220 вольт; 2 — коцденсорные линзы и фильтр; 3 — футляр для лампы; 4 —
катушка для обогрева для испарения ртути; 5 —кварцевая трубочка; 6 —
пространство для расширения; 7 — сопротивление.
Ртутная лампа (стеклянная) обычно имеет яркость около
2,3 свечи/см2. Обычная осветительная лампа этого типа имеет
трубку длиной 120 см и диаметром около 2,5 см. Она служит
удобным источником света для многих опытов, для которых
нужен источник света с большой равномерно светящей поверх-
ностью, например для наблюдения колец Ньютона и Хайдингера.
Чтобы получить однородное освещение на большей площади,
около лампы помещают экран и матовую (или молочную) пла-
стинку стекла, рассеивающие свет. Разумеется, стеклянная лампа
не излучает ультрафиолетового спектра. В настоящее время эта
ртутная дуга была выпущена в трубках из красно-пурпурового
стекла „Корекс“, которое задерживает всю видимую радиацию
(за исключением 4046), но пропускает близкую ультрафиолетовую
часть спектра. В таком виде она представляет собой отличный
источник для терапевтических целей.
342
Вакуумные дуги из плавленого кварца имеют значительно
бдлылую яркость (350 свечей/см2), чем лампа, описанная выше..
Однако обыкновенные лампы из плавленого кварца имеют форму,
неподходящую для лабораторных целей. Лишь в последнее время
начали применять лампы в виде вертикальной прямой кварцевой
трубки, сконструированные специально для лабораторных целей.
Эти лабораторные лампы работают от выпрямителей, иначе
говоря, их можно питать как постоянным, так и переменным током.
Ртутные дуги высокого давления. Гарриес и Хиппель (Л. IX, 37)
описали ртутную лампу высокого давления. Она изображена
на рис. 12. Лампа помещается в светонепроницаемом футляре:
конструкция вполне подходящая для лабораторных целей. Лампа
сделана из у виолевого стекла или кварца с прибавкой кадмия
к ртути для получения красной кадмиевой линии 6438 А или
без кадмия. Светофильтры из шоттовского стекла, обычно прода-
ваемые вместе с ней, служат для выделения лишь какой-нибудь
одной — желтой, зеленой, синей, фиолетовой или ультрафиолето-
вой—линии. Спектр лампы высокого давления имеет довольно
яркий фон сплошного спектра. Соответственно этому, спектраль-
ная частота монохроматического света, получаемого от нее со све-
тофильтрами, не так велика, как при дуге низкого давления.
Однако излучение очень устойчиво, особенно когда лампа
питается от аккумуляторной батареи.
Ртутные дуги сверхвысокого давления. Корнелиус Бул
изобрел так называемую ртутную дугу сверхвысокого давления
(Л. IX, 9, 6, 24).
В ней разряд, создающий потом высокое давление ртутного
пара, начинается в аргоне, который введен в баллон при давлении
около 2 см ртутного столба. Лампа горит при переменной разно-
сти потенциалов на зажимах около 500 вольт. Тепло, выделя-
ющееся при разряде в аргоне, испаряет капельки жидкой ртути,
введенные в баллон, и давление пара возрастает иногда до 200 ат-
мосфер.
Вследствие столь высокого рабочего давления, лампы надо4*
изготовлять из капиллярных трубочек с весьма толстыми стенками,
как это показано на рис. 13. Вольфрамовые электроды выступают
концами из ртути, скопившейся около вводов, и удерживают разряд
в средней части трубки. В середине баллона температура дости-
гает 8600 СС и обусловливает исключительную яркость разряда,
превышающую в несколько раз яркость расплавленного вольфрама.
Например, лампа при 640 вольтах и давлении 200 атмосфер имеет
яркость 180000 свечей/см2 и световую отдачу 79 люменов/ватт.
Спектральное распределение излучения лампы изображено на
рис. 10 (см. также табл. 2).
Внутренняя поверхность кварцевого капилляра, вероятно, дости-
гает температуры более высокой, чем критическая температура
ртути, так что жидкая ртуть уже не может конденсироваться.
343
Оболочка из ртутных паров вокруг осевого стержня дуги погло-
щает резонансные линии, излучаемые этим осевым стержнем,
так что при достигнутых давлениях и температурах резонансные
линии расширяются настолько, что их поглощение распростра-
няется на большую часть ультрафиолетового спектра (до 2700 А).
Электроды впаяны в лампу Була при помощи нового пере-
ходного стекла.
Лампа, размеров подходящих для лабораторных целей, имеет
электроды, расположенные друг от друга на расстоянии 1—2 см.
Сначала она наполняется газообразным аргоном при давлении 2 см
Рис. 13. Ртутная дуга сверхвысокого давления по Буду.
1 — стеклянный впай; 2 — вольфрам 0 0,8 мм, длиной 30 или 40 мм;
3 —кварцевый капилляр с внешним диаметром 6 мм; 4 — аргон при
давлении 3—4 мм; 5 — вольфрамовый электрод 00,8 мм, длиной 30
или 40 мм; 6—заполненный кварцевый отросток; в нем остается такое
количество ртути, при котором электроды выступают на — мм.
и затем в нее вводят жидкую ртуть, так что на обоих кон-
цах тридцатимиллиметровые вольфрамовые проволоки диаметром
0,8 мм выступают над ртутью всего на */2 мм.
Для питания этого замечательного источника света пригоден
640-вольтный трансформатор (мощностью 400—500 ватт). Его
включают на зажимы дуги последовательно, с соответствующим
дросселем таких размеров, что если дугу замкнуть снаружи
накоротко, дроссель будет брать от трансформатора около 3,4 ам-
пера.
Мощные лампы Була должны работать при охлаждении их
баллонов током воды.
В последнее время производство таких ламп организовано в ря-
де лабораторий советских вакуумных заводов. Для лабораторной
работы наиболее пригодны лампы малого размера, для которых
достаточно воздушного охлаждения. Их можно питать трансформа-
тором ТС-1500, даже без дросселя, с реостатом в первичной цепи.
В самое последнее время выпущены лампы без аргона мощно-
стью в 100 ватт, включаемые непосредственно в цепь переменного
тока (220 вольт). Они особенно удобны для лабораторных работ.
Подробное описание особенностей излучения и режимов горе-
ния дано в ряде статей Элебаса, например в голландском жур-
нале „Phisika" за 1938— 1939 гг.
344
„Холодная" ртутная лампа. На рис. 14 изображена „холодная*
ртутная лампа низкого давления и высокого напряжения.
Для облегчения зажигания в эту лампу вводят водород, аргон
или один из благородных газов под давлением в несколько мил-
лиметров.
Нагревание, при разряде в благородном газе, вскоре вызы-
вает испарение ртути из маленьких капелек жидкого металла
на стенках баллона.
I
Рис. 14. Кварцевая ртутная лампа низкого давления.
1 — кварцевая трубка двойная; 2 — отверстие внутренней стенки; 3 — вольфрамовые
электроды, один во внутренней трубке, другой вне ее.
Значительная разность потенциалов, необходимая для свече-
ния этой лампы, получается от автотрансформатора или от высо-
ковольтной аккумуляторной батареи, или даже от индукционной
катушки. Эта лампа в видимой области в десять раз слабеег
чем лампа Гарриеса и Гиппеля, но излучение линий с длиной вол-
ны в 2536 А в ней получается в несколько раз интенсивнее. Факти-
чески она в форме этой резонансной линии выделяет около 80%
от полного своего излучения.
Резонансная линия ртутной лампы, изображенной iig рис. 14,
столь ярка, что поглощающие ее ртутные пары, подымающиеся
от шарика жидкой ртути, положенного на руку, дают уже силь-
ную тень на возбуждаемом ею флюоресцирующем экране (Л. IX, 52).
Такая лампа с корексовым красно-пурпурным фильтром тол-
щиной 3 мм, поглощающим видимую область, является идеальным
источником для получения флюоресценции большого числа мине-
ралов.
Этот тип ртутной лампы очень полезен для лабораторной
работы. Если для зажигания лампы вместо аргона взять неон,
то получится источник света, дающий целую серию ярких линий,
удобно распределенных по спектру в пределах от 2536 до 10140 А.
Пробел в ртутном спектре между 6907 и 10140 А запол-
нен серией неоновых линий, близких к 8300 А. Однако надо
заметить, что для монохроматоров с широкими щелями вольфра-
мовая лампа накаливания оказывается более мощным источником
света в этой области, чем разряд в аргоне или в неоне. Фильтры
для получения ^монохроматического света, применяемые с раз-
личными ртутными дугами, будут описаны в следующем раз-
деле.
345
Разрядные трубки с разными парами и газами
Натриевая лампа. В последнее время получили распростране-
ние натриевые дуги. Они заключены в баллоны из специального
«стекла, на которое не действуют пары этого металла (Л. IX, 15).
Эти дуги обычно помещают внутри прозрачного сосуда с двой-
ными стенками, подобного сосудам Дюара; они являются пре-
красными источниками яркого монохроматического света с широ-
кой площадью, особенно подходящей для многих лабораторных
исследований и демонстраций.
Характеристика этих дуг, а также лампы Була, дана в табл. 2.
Таблица 2
Данные ртутной дуги сверхвысокого давления и натриевой лампы
Наименование величин Натриевая лампа Ртутная лампа
Давление (атмосферы) Плотность тока (ампер на см3) .... Поперечное сечение (см2) Свеча см2 Температура паров (°C) Световая отдача (люмен/ватт) Мощность (ватты) Оформление . Ю-5 0.4 1,43 от 10 до 20 280 68 100 В прозрачном баллоне с двумя стенками 200 280 0,0075 1.8 ХЮ5 8600 78 1400 при 1.3 А Диаметр внутрен- ний 2 миллиметра (водяное охлажде- ние)
Натрий не разрушает столь быстро пирекс, как это проис-
ходит с легкоплавкими сортами стекол. Стойкость пирекса по
отношению к натрию и другим щелочным металлам может быть
также повышена покрытием внутренней поверхности баллона рас-
плавленной бурой или борной кислотой.
Пары щелочных металлов не действуют на кристаллы сое-
динений магния, поэтому последние можно применять при таких
опытах, когда натрий при высоких давлениях и температурах
возбуждается к свечению за окошком, которое должно быть
прозрачным как для ультрафиолетовой, так и для инфракрасной
области спектра (Л. IX, 11, 81,1).
Непрерывный спектр водорода (водородный континиум).
Совершенно чистый сухой водород дает лишь слабо выражен-
ный линейчатый спектр (серию Бальмера); почти вся излучаемая
им энергия распределяется в непрерывном участке спектра от
крайнего ультрафиолетового до середины видимой области. Это
свечение обусловливается возбуждением молекулы водорода
и обладает характерным бледносиреневым цветом. Таким обра-
зце
зом, оно является естественным продолжением в сторону корот-
ких длин волн по сравнению со спектром вольфрамовой лампы
накаливания и в последнее время получило широкое применение
в лабораторной практике при работах со спектрами поглощения
в ультрафиолетовой области и в люминисцентном анализе. Пред-
ложен целый ряд различных разрядных трубок для получения
водородного континиума максимальной яркости. Наилучшие ре-
зультаты получаются с помощью водородных ламп с накаленным
катодом и узким отверстием в аноде, в котором получается
максимальное повышение плотности тока газового разряда. Это
отверстие, перед которым помещают кварцевое окошко в форме
плоской пластинки или собирательной линзы, и является почти
точечным источником ультрафиолетового излучения с широкой
апертурой и повышенной до предела яркостью. Отверстию можно
придать форм}’ щели, изображение которой легко отбросить на
входную щель спектрального прибора.
Вслед за Пирани лампы этого типа описаны Дюффендеком
и Менли, Смитом и Фаулером, Менчом и Якоби (Л. IX, 22, 23, 39, 42,
49, 50, 57, 73).
Производство их в СССР было разработано инж. М. К. Ивано-
вой (Государственный Оптический институт). Лампа М. К. Ива-
новой дает настолько мощный поток ультрафиолетовой радиа-
ции, что она сильно ионизирует воздух в комнате и вызывает
яркую люминисценцию.
Более простой и неприхотливый тип источника света для
получения водородного континиума с питанием от переменного
тока предложен Б. Остроумовым. Он представляет собой раз-
рядную трубку, изображенную на рис. 15, с холодными сильно
развитыми электродами в форме широких алюминиевых трубок,
обеспечивающих хорошее охлаждение их, служащими геттерами
для газов, выделяющихся из стенок трубки, а также содержа-
щими в окклюдированной форме значительный запас водорода.
Между этими электродами помещены две диафрагмы из тантала
с небольшими отверстиями посередине и с зубчатыми краями,
плотно прилегающими к стенкам трубки и предназначенными для
охлаждения. На диафрагмах получается значительное падение
напряжения, и ток разряда сосредоточивается в отверстиях, дости-
гая максимальной плотности и обеспечивая максимальную яркость
свечения водородного континиума. Излучение от одного отверстия
проходит сквозь другое отверстие, что увеличивает до максимума
толщу светящегося объема газа (дальнейшее увеличение его за счет
третьей диафрагмы или капиллярной трубки бесполезно вследствие
самообращения). Против отверстия на конце трубки приклеено
кварцевое окошко, хорошо охлаждаемое воздухом. Для питания
трубки указанных размеров достаточен трансформатор мощностью
0,75 —1,0 киловатт, дающий напряжение в 1000 —1500 вольт.
Последовательно с трубкой вводится небольшое балластное
сопротивление. Сила тока регулируется реостатом в первичной
347
цепи и достигает обычно 300 — 400 миллиамперов. При форсиро-
ванном режиме трубку полезно обдувать вентилятором, как это
делают с генераторными электронными лампами.
Рис. 15. Разрядная трубка для получения сплошного спектра водорода.
1 — электроды цилиндрические из алюминия; 2 — диафрагмы из тантала с от-
верстиями в 2 и в 4 мм; 3 — кварцевая линза, наклеенная на шлиф, с /=100 —
200 мм; 4 — крап диафрагмы с зубчиками; а — зубцы вырезаны; б — зубцы загнуты
на обе стороны.
Для снятия спектров поглощения требуется экспозиция от
нескольких секунд до нескольких минут и даже часов, в зави-
симости от ширины щели и качества спектрографа. Трубка выдер-
живает сотни часов работы.
При наполнении следует следить за тщательной тренировкой
электродов, чтобы обеспечить максимальную чистоту водорода.
Давление газа на яркость светящегося объема влияет мало.
Непрерывный и монохроматический спектр гелия. Гелий,
подобно водороду, также дает непрерывный спектр в ультра-
фиолетовой и вн химой части, которыми иногда пользуются
348
е спектроскопии. Однако, наряду с континиумом, гелий всегда
дает и четко выраженные линии в видимой части, которыми удобно
пользоваться для градуировки спектральной аппаратуры и, что
особенно важно, гелий в ближней инфракрасной области дает
одну чрезвычайно яркую резонансную линию 1083 А, в преде-
лах которой и сосредоточивается значительная доля всей излу-
чаемой мощности.
Таким образом, точечная лампа Пирани с накаленным катодом,
наполненная гелием до давления в 7 —10 мм ртутного столба,
является исключительно ценным и удобным прибором, пригод-
ным для самых разнообразных лабораторных работ.
Получение линейчатых спектров. Линейчатые спектры газов
обычно получаются в различной формы разрядных трубках, снаб-
женных капиллярами для уплотнения разрядного тока и повыше-
ния яркости свечения. Для получения линейчатого спектра вето-
рода необходимо пользоваться не сухим чистым водородом, а
водородом с значительной примесью водяного пара (в момент
диссоциаций молекул воды получаются ионы водорода, дающие
серию Бальмера).
Для обеспечения надлежащего давления водяного пара необ-
ходимо или трубку делать из пироскопического сорта стекла,
при чем при откачивании и обезгаживании сохранить на вну-
тренних стенках ее достаточное количество влаги, или, что проще,
поместить внутрь трубки несколько кристалликов химически чи-
стых веществ, содержащих кристаллизационную воду, например
медного купороса; они обеспечат достаточное давление водяных
паров внутри трубки.
Если трубка сделается слишком „жесткой", давление пара
можно увеличить, подогревая кристаллики и заставляя их выде-
лять влагу.
Для градуировки спектральных приборов часто пользуются
водородной трубкой, содержащей крошечную капельку ртути;
это обеспечит появление, наряду с линейным спектром водорода,
и спектра ртути, что дает достаточное число и удобное распре-
деление линий по всей длине видимого спектра.
В качестве нормали в спектроскопии принята красная линия
кадмия. Ее легко получить, если к ртути, в любой из описанных
выше ртутных ламп, примешать небольшое количество кадмия
(кадмиевая амальгама).
Существует международный стандарт для ртутной лампы,
обеспечивающий изготовление кадмиевой нормали с максималь-
ной точностью.
Подобным же образом можно получать линейчатые спектры
и других металлов, которые дают с ртутью амальгамы (цинка,
калия, олова и пр.; см. Л. IX, 1).
В последнее время привлекают внимание спектры испускания
химических соединений, в частности углекислого газа и окиси
углерода, которые дают спектральные линии в инфракрасной
349
области. При изготовлении разрядных трубок, наполненных
такими газами, необходимо заботиться, чтобы состав газа при раз-
ряде по возможности мало изменялся, так как разряд неизбежно
сопровождается химическими реакциями.
Искры. Чтобы получить характеристический искровой спектр
материалов, из которых состоят электроды, необходимо взять
конденсатор достаточной емкости, чтобы получить искры, даю-
щие громкий резкий звук, напоминающий взрыв. В качестве
Рис. 16. Два упрощенных источника линейчатых спектров.
А — фиксированный искровой промежуток с магниевыми электродами: 1 — кварцевая или пире-
ксовая пластинка; 2— зажим; 3 - магниевые ленточные электроды; 4 — искры; 5—направление
света.
Б—введение паров металлов в пламя газовой горелки. Концентрированный раствор изучаемых
солей наливают в резервуар, затем туда наливают разбавленную НС1 с кусочком цинка.
Поднимающиеся пузыри образуют брызги, которые понадают в горелку, окрашивая пламя.
источника напряжения можно воспользоваться трансформатором
или мощной индукционной катушкой. Особенно яркой получается
искра между плоскими узкими магниевыми электродами, распо-
ложенными между двумя стеклянными пластинками.
Такой источник света, изображенный на рис. 16 А, применяют
для теневых снимков полета пуль и других быстро движущихся
предметов, а также для фотографирований звуковых волн по
методу свилей (Теплера) (JI. IX, 87). Продолжительность освещения
от такой магниевой искры может быть сделана крайне короткой.
Устройство и способы применения различных искровых источ-
ников света для спектрального анализа подробно описаны
в руководствах по спектральному анализу Филиппова и Мандель-
штама.
Пламя. Различные формы пламени, например пламя бунзе-
новской горелки, которое бывает иногда совершенно бесцветно,
дают характеристические спектры излучения при введении в
него летучих паров легких металлов.
350
Металлы, применяемые чаще всего для получения монохро-
матического или приблизительно монохроматического света, даны
в табл. 3.
Спектр натрия можно получить, навертывая на открытый
конец бунзеновской горелки асбест, смоченный раствором хло-
ристого натрия. Другой способ введения в пламя различных
солей при помощи специального приспособления изображен на
рис. 16 Б.
При помощи неодимового фильтра можно осуществить погло-
щение натриевой линии в спектре при полном пропускании в то
же время других линий, например красных линий от паров калия
и лития.
Для получения спектра металлического таллия шарик из-
этого металла, вплавленный в петельку из платиновой проволоки,,
приводится в соприкосновение с нижней частью пламени бунзе-
новской горелки. Шарик надо вводить в пламя как раз настолько,,
чтобы получилась нужная для окраски пламени скорость испаре-
ния. Если шарик помещать внутри пламени слишком глубоко,
он испарится слишком быстро. Ввиду того что таллий ядовит,
высокая концентрация его паров в комнате не разрешается. Пары
натрия, калия и лития могут быть введены в мекеровскую горел-
ку в форме маленьких кусочков плавленой соды, поташа или
хлористого лития, который можно класть прямо на решетку
мекеровской горелки.
Таблица 3
Спектры пламени
Пар Длина волны излучаемых линий
Натрий . 5890 А, 5«896 а
Калий . 7665 А, 7699 а
Литий . 6708 A
Таллий . 5350 А
Ультрафиолетовая область спектра
Прозрачные для ультрафиолетового света вещества. Часть
ультрафиолетового спектра, рассматриваемая здесь, ограничи-
вается участком от 2000 до 4000 А (Л. IX, 54).
В длинноволновой половине этого участка между 4000 А и
3000 А большинство веществ прозрачно: слюда, целлулоид, алмаз,
канадский бальзам, эфир, глицерин, ацетон, скипидар, ксилен и
обыкновенные сорта стекол в тонких слоях (см. табл. 4).
зы
Таблица 4
Коэфициенты пропускания стекла (5 мм толщиной)
в ультрафиолетовой области, в процентах
Длина волны о А Конленсор- ное стекло Бауш и Ломб Стекло Шотта ВК-7 Стекло Вита Шотт- Увиоль
3300 82 83 86 ! 93
3200 55 68 78 86
3150 35 56 72 81
3100 20 42 64 74
3050 24 54 66
3000 ... ... 45 59
Для всей области от 4000 А до 2000 А список прозрачных
веществ не так велик.
°' Он включает лишь каменную соль, хлористый калий (сильвин),
флюорит, магнезию, фтористый литий, квасцы, гипс, сахар, изве-
ч стковый шпат, воду, этиловый спирт, ледяную уксусную кислоту,
с аммиак, плавленый и кристаллический кварц и целлофан (про-
2 пускание целлофана см. в табл. 5).
Таблица 5
Спектральная характеристика целлофана — процент про-
пускания для отмеченных линий
Стандартный бесцветный целлофан
Тип |2334]2800|3132|3342|3663|4078 4359 4600|5200 5400^800(6506
Р. Т... . 60 69 73 79 i 84 86 87 88 90 90 90 90
м. т.... 10 43 84 82 | 84 90 90 90 90 90 90 90
Стандартный о к р а ш е и и ы й целлофан1
Тип 2537('2800 3132 3342j3663|4078|4359 4600 5200|5400>5800*6500
Красный Темнозе- 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 18 86
леный . Темно- 9 31 28 20 7 0 6 14 47 44 22 12
синий . 25 39 38 38 51 71 78 66 43 29 12 7
Призмы, линзы и зеркала для ультрафиолетовой области.
Лишь немногие из вышеуказанных веществ могут служить под-
ходящим материалом для линз.
1 Пропускание целлофана зависит от состава красителей и может сильно
отличаться от указанных данных. Вопрос об окраске пластмасс вызывает
большой интерес специалистов и нужно ожидать получение новых сведений
(см. работы М. С. Зельцер). Прим. ред.
352
Флюорит и кварц дают отличные призмы. Эти два материала
можно скомбинировать для изготовления ахроматических линз.
Однако трудность приобретения больших кусков прозрачного
флюорита с хорошими оптическими свойствами чрезвычайно
повышает стоимость таких ахроматов. Поэтому для ахромати-
ческих деталей часто применяют комбинации кварца с каменной
солью или с сильвином. В последнее время научились искусствен-
но изготовлять большие куски монокристаллов галоидов щело-
чей и окиси магния; нет никакого сомнения в том, что они
с другими синтетическими веществами должны в ближайшем
будущем приобрести исключительное значение при конструиро-
вании и производстве разнообразной ультрафиолетовой оптики.
Оптические константы некоторых из этих материалов для
видимой области спектра даны в табл. 6.
Для оптических систем, применяемых при работах в ультра-
фиолетовой области спектра, в последнее время стали широко
пользоваться вогнутыми алюминированными зеркалами. Они абсо-
лютно ахроматичны, т. е. имеют для ультрафиолетовых лучей
.фокус в том месте, как и для видимых. Поэтому их можно
устанавливать и юстировать по видимым изображениям.
Таблица 6
Показатели преломления синтетических материалов
Материал С 6563 D 5893 е 5461 F 4861 g 4358
Плавленый кварц . . . 1,4567 1,4587 1,4604 1,4634 1,4669
CaF2 . . . 1,4325 1,4338 1,4349 1,4369 1,4395
LiF 1,3906 1,3922 1,3930 1,3943 1,397
К Cl 1,4870 1,4901 1,4929 1,4981 1,5043
KBr • ... 1,5544 1,5590 1,5631 1,5709 1,5806
KJ 1,6569 1,6655 1,6721 1,6853 1,7025
MgO 1,7337 1,7378 1,7412 1,7475 1,7550
Органическое стекло . 1,4856 1,4881 1,4902 1,4938 1,4992
Люцит 1,4916 1,4945 1,4967 1,5008 1,5064
Фильтры для ультрафиолетовой области. Наиболее интерес-
ными светофильтрами для ультрафиолетовой части спектра явля-
ются тонкие металлические пленки.
Ширина полосы спектра, пропускаемой серебром и щелоч-
ными металлами, тесно связана с интервалом длин волн между
той областью, где отражение объясняется действием свободных
электронов (со стороны длинных волн в этом интервале), и между
областью, где отражение обусловлено уже связанным электро-
ном (со стороны коротковолнового конца этого промежутка).
Для серебра этот интервал, расположенный около 3160 А,
23 Стронг
353
имеет ширину около 100 А; у тонких пленок щелочных металлов
он значительно шире. Поэтому для выделения ультрафиолетовой
радиации удобнее применять в качестве фильтров калиевые
пленки. Полное пропускание калия в ультрафиолетовой области
для пленки, имеющей такую толщину, при которой она становится
непрозрачной для видимого солнечного света, начинается при
3000 А.
Р. В. Вуд изучал это явление и описал, как эти пленки
можно изготовить на колбе из кварцевого стекла, охлаждаемой
2000' 3000 . 4000 3000
’Длина солим ангстремах
Рис. 17. Пропускание калиевого фильтра.
1 — цинковая искра без фильтра; 2 — цинковая искра с
калиевым фильтром.
до температуры жидкого воздуха (Л. IX, 86). К сожалению, пленки,
изготовленные описанным им способом, сохраняются только при
температурах значительно ниже комнатной. Однако О’Бриен
показал, что калий можно заключить между двумя пластинками
из кварцевого стекла, при чем плёнки сохраняются даже при
Рис. 18. Спектральная прозрачность различных
веществ по Виллиямсону В.
1 — без фильтра; 2 — уксусная кислота 1/128; 3 — винно-
каменная кислота 1/64; 4 — уксусная кислота 1/4; 5 — хло-
ристая ртуть 1/4; 6 — ф°нилуксусная кислота 1/4; 7— фенол
1/4; 8 — пирекс. Дроби указывают количества веществ, при-
бавляемые к воде для получ°ния приблизительно насыщен-
ного раствора, при чем количество воды принято за единицу.
температуре кипения воды (Л. IX, 61) (т. е. выше температуры
плавления калия).
Пропускание этих, относительно толстых, пленок начинается
около 3350 А, достигает 25°/0 при 2500 А и немного снижается
при приближении к 2000 А (рис. 17).
354
Пары брома также могут служить в качестве фильтра. Они
прозрачны для ультрафиолетовых лучей. Слой насыщенного пара
брома толщиной 5 см при комнатной температуре непрозрачен
для синего света и почти не пропускает зеленого света, как это
легко видеть, помещая
сосуд, содержащий не-
много жидкого брома,
между ртутной лампой
и щелью карманного
спектроскопа. Пропус-
кание брома начинается
при 3800 А, и пар его
весьма прозрачен для
участка спектра, начи-
ная с 3500 А по край-
ней мере до 2345 А.
Пятимиллиметровый
слой раствора нитрозо-
диметиланилина (10 мг
на 100 см8 воды)
имеет почти такую же
прозрачность, как пар
брома (Л. IX, 85).
Фильтр из 14 г кри-
сталлического, сво-
бодного от желе-
з а, сернокислого ни-
келя и 10 г кристал-
лического сернокис-
лого кобальта, раство-
ренных в 100 см8 де-
стиллированной воды,
2000 2500 ,3000 3500 4000
Длина полны о ангстремах,
почти совсем непроз-
рачен для ВИДИМОГО Рис« 19. Пропускание разных жидкостей по'Броде В. Р.
Светя R Лил пРТЛВЛЙ 1 — сероуглерод; {2 — бензиловый спирт; 3 — пиридин; 4 — аце-
cifl и ipnLLiciивип тон. g — тералин; 6 — этил-метилкетон; 7 — амиловый спирт;
ОблаСТИ СПеКТРа. Начи- 8— газолин; 9 — щавелевокислый этил; 10—нормальный бути-
о * левый спирт; 11 — бензойный этил; 12 — петролит; 13 — лигроин;
НЭЯ С 3300 А При слое 14 —ксилен; 15 —толуен; 16—бензен; 17 — бутилацетат; 18 —
ТОпп н Q этилпропионат; 19 — четыреххлористый углерод;20 — муравьино-
ЮЛЩИНОИ о см этот кислый этил; 21 — этилацетат; 22 — муравьиная кислота;
ФИЛЬТП ттпЛпхггтгяРТ 23 — амилацетат; 24 —уксусная кислота; 25 — изопропиловый
о rfi 11 г 11 У спас 1 СПИрТ; 26 — хлороформ; 27 — глицероль; 28 — эфир серный; 29 —
*5,070 СВеТа ЛИНИИ ртут- метиловый спирт; 30—этиловый спирт.
НОЙ дуги с длиной
волны в 3342 А и 96% света линии 3126 А, а далее прозрачен
в Ультрафиолетовой области до длины волны в 2300
IX, о).
Предел пропускания в ультрафиолетовой области для
лежит приблизительно около 2800 А, при толщине
А (Л.
слюды
слюды
23*
355
около 0,01 мм. При такой толщине для длин волн ниже 2600 А
слюда совсем непрозрачна.
Прозрачность в ультрафиолетовой области для разных
материалов представлена на рис. 18 и 19.
Поляризация в ультрафиолетовой области. Новые поля-
ризующие пластинки (Л. IX, 48, 30), сделанные из герапатита,
непрозрачны для ультрафиолетового света (рис. 39 и 41). Хотя
кальцит в николевых призмах и прозрачен до 2000 А, однако
канадский бальзам, льняное масло и пластмассы, применяемые для
их склеивания, совсем непрозрачны в ультрафиолетовой области
при длинах волн ниже 3000 А.
Для склеивания оптических поверхностей, которые должны
применяться в ультрафиолетовой области спектра, приходится
пользоваться жидкостями: глицерином, касторовым маслом или
сиропом из декстрозы.
Призму Волластона можно применять для поляризации
ультрафиолетового света, если ее части склеить указанным
способом.
Инфракрасная область
Общая характеристика. Инфракрасный спектр тянется от
7600 А или 0,76 р до 400 р. Для измерения интенсивности инфра-
красной радиации обычно употребляют термопары или термо-
радиометры. Так как действие этих приборов зависит от мощности
излучения, преобразованной в теплоту, то инфракрасную часть
спектра иногда называют тепловым спектром. Инфракрасная
радиация излучается всеми нагретыми предметами. Поэтому
в качестве источников для инфракрасного спектра в лаборато-
рии применяют исключительно накаленные тела разной формы.
Тепловой спектр удобно подразделить на три области: близкую
инфракрасную от 1,1 до 15—20 среднюю инфракрасную
от 12—20 до 40—50 р и далекую инфракрасную от 40 до 400 [V
Спектроскопический признак, отличающий близкую инфра-
красную область от других, состоит в том, что характеристиче-
ские частоты излучения газов, которые относятся к этой области,
обычно обусловливаются их молекулярными колебаниями, в то
время как характеристические частоты, которые укладываются
в видимой и в ультрафиолетовой областях, вызываются глав-
ным образом колебаниями электронов в атомах. С другой
1 Ближнюю инфракрасную область следует подразделить в свою очередь
на две части: первая—до 2,2 р— соответствует прозрачности стекла: ее сле-
дует изучать с помощью приборов со стеклянными призмами, обладающими
очень большой дисперсией (это позволяет легко связать эти исследования
с исследованиями в видимой области), и вторая — от 2,2 до 20 р, требующая
кристаллической оптики (с малой дисперсией) и особых методов исследования.
Прим. ред.
356
стороны, в далекой инфракрасной области характеристические
частоты газов получаются за счет молекулярных вращений
и связей.
В случае кристаллов характеристические частоты в близкой
инфракрасной области вообще являются частотами междуатом-
ных колебаний внутри отдельных химических радикалов,
которые существуют в кристаллах как самостоятельные еди-
ницы, между тем как частоты в далекой инфракрасной области
обязаны своим происхождением колебаниям положительных ионов
(или целых радикалов) в кристаллах относительно отрицатель-
ных структурных элементов решетки.
Средняя инфракрасная спектральная область (от 20 до 40 р)
была до последнего времени мало доступна для исследований,
вследствие отсутствия прозрачных веществ, пригодных для изго-
товления окошек и призм.
Она стала доступной после того, как начали применять про-
зрачный парафин с высокой точкой плавления — от 68 до 70° С
(Л. XI, 45)—и огромные синтетические монокристаллы галоидных
солей легких металлов, прозрачные в области от 20 до 40 ц (Л. IX,
12, 46, 47, 66, 76, 80).
Для исследования далекой инфракрасной области спектра —
за 40 — пользуются методом остаточных лучей и зеркальными
спектральными приборами, при чем призмы заменяют эшеле-
тами Р. Вуда или диффракционными решетками Рубенса.
Призмы, окошки, линзы и зеркала для инфракрасной
области спектра. Главные материалы для призм в инфракрасной
спектроскопии приведены в табл. 7. Комбинируя эти материалы,
можно составлять ахроматические линзы, фокусирующие инфра-
красные лучи той или иной полосы спектра в одну точку. Для
этой цели можно воспользоваться и вогнутыми зеркалами,
которые являются более совершенными. В настоящее время
разработаны весьма совершенные оптические системы зеркал —
вполне ахроматические и почти свободные от аберрации, которые
несомненно получат широкое распространение.
Таблица 7
Прозрачность материалов для инфракрасной
радиации
Материал Предел полезного про- пускания области спектра (ц)
Стекло Кварц CaFa NaCl КС1 КВг - 2,2 3,5 8,5 15 21 29
357
Рис. 20. Прозрачность нитроцеллюлозы по Барнесу и Боннеру.
1 —толщина от 0,5 до 1 микрона; 2— толщина 15 микронов.
Рис. 22. Пропускание и отражательная способность кварца
в инфракрасной области по А. Г. Пфунду.
I__отражательная способность кварцевой Пластинки; 2 — пропускание
плавленого кварца тЬлщиной 0,605 мм; 3 — пропускание порошкообразного
кристаллического кварца; 4 — пропускание плавленого кварца толщиной
Даже простые сферические зеркала с успехом применяют
для менее точной работы, так как в инфракрасной спектро-
скопии нельзя пользоваться такими узкими щелями, какие обыч-
но употребляют при работах в других спектральных участ-
ках, в которых можно пользоваться фотографией (Л. IX, 77,
78, 79).
Материалы, пригодные для окошек и стенок поглощающих
кюветок, в частности в вакуумных радиометрических приборах,
представлены в табл. 1, главы VIII (см. также рис. 20, 21, 22).
Среди этих веществ особый интерес представляет парафин с
высокой точкой плавления, так как он является одним из немно-
гих веществ, непрозрачных для близкой инфракрасной области
и пропускающих длинноволновый участок спектра. Другим по-
добным материалом является сажа. Хотя она совершенно непро-
зрачна в видимой области, но хорошо пропускает инфракрасный
конец спектра.
Большинство металлов, как, например, золото, серебро, алю-
миний, спекулум (зеркальный металл) и др., в инфракрасной
области обладают высоким коэфициентом отражения. Этот коэфи-
циент отражения для длин волн больших чем 4 у- можно вычис-
лить по удельному сопротивлению металла, пользуясь прибли-
женной формулой:
/< = 1—0,365 (1)
где р в омах на мм2/'м, а X в микронах.
Отражение кристаллов. Остаточные лучи. Кристаллы обладают
полосами так называемого „металлического" отражения для неко-
торых интервалов длин волн, где коэфициент отражения, который
бывает порядка 5%, приближается к 100%.
Это свойство кристаллов впервые обнаружил Е. Ф. Никольс
(Л. IX, 59, 68).
Полосы высокой отражательной способности, свойственные
кварцу, представлены в качестве примера на рис. 23.
Кварц для обыкновенного луча имеет две резко выраженные
полосы: одну при 8,9 р- и другую при 20,8 р-. Каменная соль имеет
только одну полосу при 52 р-.
Многократные отражения от кристаллов применяют для того,
чтобы выделить очень узкие спектральные полоски с монохро-
матической радиацией в инфракрасной части спектра.
Например, если спектр раскаленного предмета отражается
один раз от поверхности кристалла каменной соли, то энергия
лучей с длиной волны около 52 р. отразится почти полностью;
Энергия же других участков спектра, особенно в коротковолновой
части, где нет металлического отражения, ослабится не менее
«чем в двадцать раз.
Вследствие такого ослабления, при однократном отражении,
359
энергия отраженного света при длине волны 52 и. будет почти та
же, что и у света падающего, в то время как вся остальная
энергия, особенно энергия коротких волн, сделается много меньше.
После вторичного отражения коротковолновая часть спектра
ослабляется снова приблизительно в двадцать раз, т. е. общее
ослабление достигнет четырехсот раз, в то время как энергия
Рис. 23. Отражение от кристаллического кварца по Рубенсу.
1 — луч обыкновенный; 2 — луч необыкновенный.
Таблица 8
Выделение монохроматической радиации в инфракрасной части методом
остаточных лучей
S я Фильтр (во всех Длина Частоты Энергия (отклонение в
§ i Кристаллы случаях 3 мм волны (~/см) сантиметрах
о Й s £. У о парафина) (и) при шкале на расстояние 3 м)
4 Кварц 1 см КС1 20,7 483 44
3 1 Флюорит .... Металл | 5 мм КС1 23 435 18
2 2 Флюорит .... Кальцит .... | 3 мм КВг 27,3 366 42
4 Кальцит .... — 29,4 340 95
3 Флюорит .... J 0,4 мм кварц 32,8 305 2,6
I Металл • . . . . 1 1,2 я КВг
3 1 Арагонит . . . Металл | 0,4 мм кварц 41 244 1,6
4 NaCl .... . . 2 мм кварц 52 192 5,2
4 КС1 2 , „ 63 159 2
4 КВг 2 . , 83 120 1,6
4 KJ 2 . , 94 106 1
4 Т1Вг 2 . 117 85 1,7
4 4 ти 2 „ „ 152 66 1
360
волн длиной около 52 р. будет ослаблена очень мало. Таким образом,
после четырех или пяти отражений единственным оставшимся
в спектре излучением, называемым остаточными лучами, окажется
излучение в узкой полосе с длиной волны в 52 р.
Применение таких, следующих друг за другом, отражений
является испытанным и излюбленным способом получения монохро-
матической радиации в далекой инфракрасной области. Кристал-
лы, обычно применяемые для получения монохроматической ради-
ации различных длин волн, перечислены в табл. 8, хотя она
далеко не исчерпывает все разнообразие их. Прибор для по-
лучения остаточных лучей мы опишем в последней части этой
главы.1
Специальные поглощающие фильтры для близкой инфра-
красной области. Вода прозрачна в ультрафиолетовой части
спектра до длин волн порядка 0,2 ц и по всему видимому спектру
(рис. 24).
Однако опа непрозрачна в инфракрасной части для всех лу-
Длина волны В ft
Рис. 24. Фильтры для инфракрасных лучей.
1 — вода толщиной 1 см; 2 — 2,5% раствор хлористой меди толщиной 2 см.
чей до предельных значений длин волн, соответствующих тол-
щине слоя ее т0, указанных в табл. 9.
1 Для получения отражающей поверхности до последнего времени обычно
пользовались или естественными гранями кристаллов (в частности монокри-
сталлов) или шлифованными и полированными поверхностями монокристаллов
или полукристаллических кусков вещества. В последние годы удалось доказать,,
что поверхность, получаемая при спрессовывании кристаллического порошка
под большим давлением между полированными оправками, дает прекрасные
отражающие поверхности любой формы и размеров. Это делает метод остаточ-
ных лучей еще более ценным и гибким. При,и. ред.
361
Таблица 9
Предел пропускания
воды в инфракрасной
'части для солнечного
спектра (Л. IX, 29, 72)
То л0 в и
1 мм. . 2,4
1 см. . 1,5
10 см . . 1,2
Юм.. 0,9
100 м . . 0,6
Водяной фильтр применяют весьма часто
для того, чтобы задержать инфракрасные
лучи, испускаемые угольной дугой, солнцем
или вольфрамовой лампой.
Такой водяной фильтр предохраняет
окошки фонарей, чтобы они не треснули
от нагревания, предупреждает воспламе-
нение фотографических пленок, препят-
ствует перегреву объективов в проекцион-
ных микроскопах и чрезмерному нагрева-
нию николя в поляризаторах.
Прибавление к воде медных солей
еще более усиливает поглощение в инфра-
красной области.
На рис. 24 представлен ход коэфициента
поглощения инфракрасной части раствором 2,5% хлористой
меди в воде при толщине кюветы 2 см (Л. IX, 60, 18).
Для устранения инфракрасной части спектра служат также
фабричные стеклянные фильтры из стекла яакло“ и шоттовские
фильтры BG17 и BG19 (см. табл. 10 и каталог цветных опти-
ческих стекол Шотта).
Инженер И. М. Прок (Государственный Оптический институт)
разработал прекрасный фильтр из специального фосфатного стекла,
срезающий всю инфракрасную часть спектра. Для этого доста-
точен слой такого фосфатного стекла толщиной всего 3—4 мм.
Таблица 10
Пропускание теплонепроницаемым стеклом „акло* (2 мм толщ.) света
вакуумной лампы накаливания „Мазда* (2360 °К), в процентах
Фильтр От полного излу- чения Видимое излуче- ние
Очень светлый колпак №395 40 83
Светлый колпак №396 21 75
Средний колпак № 397 • . 11 64
Темный колпак № 398 4 42
Фосфатное стекло ГОИ (по Проку) . . 20 96
Пропускание стеклянных фильтров BG17 при толщине 1 мм и
BG19 толщиной 4 мм приблизительно такое же, как для близко-
го к насыщению раствора хлористой меди при толщине 2 см.
Фильтры для видимой части спектра. Для выделения отдель-
ных ртутных линий в видимой части спектра применяют стеклян-
.362
ные и желатиновые фильтры. Они гораздо проще в обращении
и значительно устойчивее, чем водные растворы красителей.
Пропускание некоторых стекол и цветных желатиновых пленок
представлено на рис. 25 и 26.
Список комбинированных фильтров для выделения отдельных
спектральных линий дан в табл. 11 (Л. IX, 15).
Фильтры Кристиансена. Фильтр Христиансена состоит из мно-
жества твердых частичек, погруженных в жидкую среду, как,
например, из частичек боросиликатного стекла, погруженных
в смесь сероуглерода с бензином (Л. IX, 17, 55). На рис. 27
изображен ход кривой дисперсии (показатели преломления) для
Длина волны К ц
Рис. 25. Пропускание некоторых фильтров Корнинга.
боросиликатного стекла и для десятипроцентного по объему
раствора сероуглерода в бензине (оба безводные) при 20°С.
Фильтр, состоящий из этих двух компонентов, свободно про-
пускает лучи того цвета, для которого показатели преломления
жидкой и твердой фазы одинаковы, т. е. для которого кривые,
представленные на рис. 27, перекрещиваются. Для этого цвета
среда оказывается оптически однородной. Для всех других длин
световых волн фильтр является неоднородной рассеивающей
лучи оптической средой, непрозрачной для них.
При помощи оптической системы, изображенной на рис. 28,
волны рассеянного света отделяются от волны того цвета, кото-
рый испытывает простые геометрические преломления и свободно
проходит сквозь диафрагму. Спектральные кривые пропускания
для набора пяти различных фильтров этого рода представлены
на рис. 29.
Эти фильтры имели толщину 18 мм и были сделаны из боро-
силикатного стекла в растворах сероуглерода в бензине различ-
ной концентрации.
363
Рис. 26. Спектральное пропускание стекол и пленок Враттена.
Длины волн в ангстремах.
Относительно фильтров Христиансена следует впрочем сде-
лать одну оговорку: они не обеспечивают полной непрозрачности
для тех линий волн, которые в спектре располагаются по обе
стороны от их полосы пропускания.
Эта оговорка весьма серьезна. Если,
жен применяться в соединении с высоко селективным приемни-
ком, например, с фотоэлементом, то лучи, даже слабо пропуска-
емые фильтром, но такие, к которым
приемник особо чувствителен (или
которые в излучении источника ока-
зываются особенно мощными), будут
заметно искажать отсчеты и затруд-
нять истолкование результатов изме-
рений.
Кроме средств, указанных выше,
можно воспользоваться зависимостью
пропускаемых такими фильтрами длин
волн от температуры. Е. Вейгерт со
своими сотрудниками нашел, что
кювета с мелкими кусочками крон-
гласа, погруженными в жидкий бен-
зойный метил, пропускает красный
свет при 18°С и синий свет при 50С
(Л. IX, 83).
Очень интересный эффект, анало-
гичный тому, который наблю щется
в случае применения христиансенов-
ского фильтра, имеет место и при про-
например, фильтр дол-
Рис. 27. Кривые дисперсий
компонентов фильтров Христи-
ансена по Мак-Алистеру
(Л. IX, 46.)
1 — жидкость; 2 — стекло.
хождении инфракрасного света сквозь
тонкие слои порошков (Л. IX, 5). Максимум пропускания их насту-
пает лишь при таких длинах волн, при которых показатель пре-
ломления порошка обращается в единицу или делается равным по-
казателю преломления воздуха ил i другой окружающей среды.
Максимум прозрачности в воздухе для магнезии наблюдается
при длине волны 12,2 р., но при погружении фильтра в четырех-
хлористый углерод максимум этот смещается к длине волны
в9р, для которой четыреххлористый углерод и магнезия имеют
одинаковые показатели преломления.
Светофильтры Е. М. Брумберга. Существенным улучшением
светофильтров Христиансена являются узкополосные светофиль-
тры Е. М. Брумберга (Государственный Оптический институт),
особенно подходящие для ультрафиолетовой области, для которой
большинство сред непрозрачно. Их изготовляют из вещества,
прозрачного для ультрафиолетовых лучей (кварц, флюорит и пр.),
которому придают форму двух половинок призмы Глан-Томсоиа,
в промежуток между которыми вводят тонкий слой вещества
(обычно жидкости). Показатель преломления этой жидкости
и должен совпадать около границы ее поглощения в ультрафио-
365
Таблица 11
Фильтры для выделения ртутных линий
Излучение А Стекла Корнинг Истман- Враттен Жидкие фильтры
Инфракрасное . . . далее 10,140 .... G554EK от 6 до 8 мм 88, как у Вуда, или 89А Кобальтовое голубое стекло и насыщенный раствор двухромовокис- лого калия
от 5769 до 5790 . . G31R от 3 до 4 мм 22 Hg желтый Хризоидин и эозин
5461 G555Q от 8 до 10 мм и G34Y от 3 до 4 мм 62 Hg зеленый или 77 Hg спе- циальный или 77 A. Hg специально для интсрферо- Азотно-аммониевый нео- дим и двухромово- кислый калий
4359 Новиоль А, 3 мм и G585 от 3 до 5 м.м И cl JJJrltr 50 Hg голубой Кобальтовое голубое стекло и хинин серно- кислый
от 4047 до 4078 . . . G586A от 3 до 5 мм и Новиоль от 0,3 до 4 мм 36 Hg фиолето- вый Метилзиолет и хинин сернокислый
36501 3656 У 3663) G586AW от 8 до 10 мм 18 ультрафио- летовый Метилвиолет с кислой зеленой
Рис. 28. Схема оптической установки фильтра Христиансгна
по Мак-Алистеру. (Следует пользоваться металлическим сосу-
дом для фильтра, чтобы сохранять постоянную температуру).
1 — стеклянное окошко; 2 — свинцовая прокладка; 3 — резиновая прокладка;
4 — линза; 5 — отверстие, проколотое булавкой, в качестве источника света;
6 — фильтр из порошкообразного стекла и жидкости одинаковых показате-
лей преломления; 7 — диафрагма; 8 — монохроматический свет.
летовой области с показателем преломления материала призмы.
При этих условиях можно так подобрать угол среза обеих по-
ловин, чтобы сквозь призму проходили только те лучи, показа-
тели которых у призмы и у прослойки одинаковы. Тогда лучи
с большой длиной волны будут испытывать полное внутреннее
366
отражение, а лучи с более короткой длиной волны будут погло-
щаться в прослойке. Е. М. Брумберг подобрал целую шкалу
узкополосных фильтров для ультрафиолетовой области, позволя-
ющих выделять характерные спектральные линии. В качестве
прослойки служат обычно растворы солей. Апертура проходящего-
пучка лучей может достигать нескольких градусов.
Отражение от металлических
поверхностей. Из металлов, при-
меняемых в качестве отражающих
оптических поверхностей для види-
мой области спектра, наибольшее
значение имеют алюминий, зеркаль-
ный сплав и серебро. Их отража-
тельные способности представлены
на рис. 30. Следует заметить, что
для всех длин волн, меньших
4100 А, алюминий ценится выше,
чем даже свеже осажденное сере-
бро. Хотя свежий слой серебра
и обладает большей отражательной
способностью в видимой области
чем алюминий, но он очень скоро
тускнеет. Поэтому алюминий сле-
дует рекомендовать и для видимой
части спектра.
Рис. 29. Кривые пропускания
фильтров Христиансена по Мак-
Алистеру.
Для измерений коэфициентов
отражения, приведенных нами выше, применялся прибор, изобра-
женный на рис. 31.
Этот прибор измеряет непосредственно квадрат абсолютного
коэфициента спектрального зеркального отражения, при чем коэ-
фициент отражения зеркала сравнения оказывается как в числи-
теле, так и в знаменателе расчетной формулы.
Монохроматоры
Лучший метод выделения узкого участка спектра с большой
спектральной чистотой от источника белого света заключается
в применении двойного монохроматора, т. е. двух отдельных
монохроматоров, соединенных вместе. Высокая спектральная
чистота необходима для изучения явлений, характеризующихся
своей высокой селективностью, как, например, для определения
длинноволновой границы фотоэффекта или в других подобных
работах, когда малейшее нарушение спектральной чистоты по-
сторонним светом, что часто наблюдается при работе с одним
монохроматором, искажает коренным образом все результаты
измерений. Крупным шагом вперед по пути повышения спек-
тральной чистоты является применение в соединении с простым
монохроматором, соответствующих фильтров.
367-
Рис. 30. Коэфициенты отражения металлов.
1—[серебро; 2 — алюминий; 3 —стеллит; 4 —сп«кулюм (зеркальный металл).
Рис. 31. Установка для измерений коэфициента отражения.
1 — одинаковые расстояния; 2 — зеркало сравнения; 3—нажимные винты;
4 — оттягивающий винт; 5 — испытуемое зеркало вставляется в эту раму;
6 — установочные винты, фиксирующие три рамы для зеркал параллельными
друг другу на одинаковом расстоянии; 7 — зеркала удерживаются на местах
при помощи зажимов; 8—от источника света; 9— к фотометру; 10 —
испытуемое зеркало.
Однако такие фильтры обычно бывают менее надежными
и эффективными, чем присоединение второго монохроматора.
Надо, однако, помнить, что коэфициент пропускания одного
обычного одинарного монохроматора бывает не более 45%,
а при двух снижается до 20%.
Монохроматор должен иметь ахроматические линзы, но если
их делать из материалов, которые должны быть пригодны для
Рис. 32. Двойной монохроматор Хильгера-Мюллера.
1 — кварцевые призмы, сзади алюминированные; 2 — винт для фокусировки
по всему спектру; 3 — кварцевые призмы с фронтальными выпуклыми
поверхностями, отшлифованными наподобие линз; 4 — кзарцевые отража-
тельные призмы; 5 — входная щель; 6 — средняя щель; 7 — выходная щель;
8 — этот рычаг, скользя по штифту, вращает призменный столик и поддер-
живает минимум угла отклонения по всему спектру; 9 — направляющие, по
которым движется столик с призмами; 10 — барабан для отсчета длин волн;
11 — установочный винт; 12 — ось вращения.
Каждая щель регулируется отдельно. Входная и выходная щели искри-
влены для компенсирования дисторсии в призмах. Деталь, не показанная
на рисунке, предотвращает возможность проникновения случайного света из
одной системы в другую.
измерений в ультрафиолетовом участке спектра, то стоимость
будет очень высока. Поэтому в монохроматорах обычно приме-
няют простые кварцевые линзы.
Эти линзы необходимо фокусировать относительно щелей
при помощи механизма, приводимого в движение барабаном, на
который нанесена шкала длин волн.
На рис. 32 показано, как это осуществляется в двойном моно-
хроматоре Хнльгера-Мюллера при помощи шарнира, смонтирован-
ного на столике с призмами: по мере того, как столик с системой
призм двигается как одно целое по отношению к системе щелей,
линзы фокусируются на все более и более короткие длины волн.
Шарнир этот так устроен, что он заставляет падать на выход-
ную щель только волны таких длин, для которых линзы сфоку-
сированы.
Применение зеркал в монохроматорах. В качестве объективов
в монохроматорах часто пользуются параболическими зеркалами,
24 Строю
369
так как оптическая система с таким зеркалом совершенно ахро-
матична. Однако зеркала имеют очень крупный недостаток по
сравнению с линзами: параллельный пучок лучей, отраженный от
них, возвращается в направлении входной щели, что исключает
возможность простой и точной установки других оптических
частей прибора.
Применение вогнутого зеркала требует или введения доба-
вочного плоского зеркала для направления лучей по главной
оптической оси, как в приборе Пфунда(Л. IX, 62, 34), изображенном
Рис. 33. Установка зеркала в зеркальном монохроматоре.
1 — источник света — щель; 2 — плоское зеркало с отверс1И°м; 3 — пара-
болическое зеркало; 4 — параллельный пучок света; 5 — параболическое
зеркало со смещенной осью; b— оптическая ось.
на рис. 33 а, или установки зеркала боком, как показано на рис.
33 Ь. Чтобы получить такое смещенное в сторону зеркало, можно
сначала изготовить обычное большое параболическое зеркало,
а затем вырезать из него малое зеркало, смещенное к одному
из краев первого.
Обычное сферическое зеркало можно, конечно, установить на-
клонно (рис. 33 с). Однако это неизбежно вызовет значительное
искажение фронта волны, которое, впрочем, возможно скомпенси-
ровать определенной ориентацией другого столь же несовершен-
ного зеркала и получить лучшие результаты, чем те, которые
дают хорошие телескопические системы. Одна из установок
телескопической системы этого рода, полученная путем ком-
пенсации комы с обычным водсвортовским зеркалом (Л. IX, 20, 21),
представлена на рис. 34. Перемещение по спектру в большинстве
монохроматоров обычно осуществляется по способу Литтрова,
либо по способу Водсворта, при чем призма работает всегда
в условиях минимума отклонения (рис. 35) (Л. IX, 53, 82). Полный
расчет монохроматора выполнил М. А. Юрьев.
370
Водяной монохроматор. Ультрафиолетовый монохроматор
с импровизированной оптикой, изобретенный Гаррисоном (Л. IX, 38),
изображен на рис. 36. Оптические части его составляют: водяная
Рис. 34. Зеркальный монохроматор с зеркалом Водсворта:
1—параболическое зеркало; 2 — плоское зеркало; 3 — второе параболи-
ческое зеркало; 4— входная щель; 5 — выходная щель или термопара; 6—призма.
призма и сферическое алюминированное зеркало. Этот монохро-
матор очень прост и оптически достаточно совершенен для
выделения ярких ртутных линий, как это иллюстрирует снимок
Рис. 35. Различные схемы монохроматсрон.
с—Установка Литтрова (автоколимационная). 1 — источник све-
та— щель; 2 — плоское зеркало с отверстием; 3—ось вращенья призмы;
1 — параболическое зеркало со смещенной оптической осью; 5 — парабо-
лическое зеркало со смещенной осью.
б— Обыкновенная установка Водсворта. Луч в усло-
виях наименьшего отклонения выходит паралцельно входящему лучу,
испытывая лишь боковое смещение, величина которого остается постоян-
ной при вращении столика.
виг — Измененные установки Водсворта: в — луч в
условиях наименьшего отклонения выходит перпендикулярно входящему
лучу, г — луч в условиях наименьшего отклонения выходит под углом к
входящему, но испытывает боковое смешение при вращении столика.
iSM tlM 3f25 e M50 4356
Длина tiosiHbi b л
Рис. 36. Водяной монохроматор Гаррисона.
1—входная щель; 2 — выходная щель, искривленная за счет действия призмы;
3 — установочный винт; 4—ось поворота щели. Выходная щель должна повора-
чиваться вокруг горизонтальной оси для точной установки на фокус; 5 —диа-
фрагмы; 6—трубка для наполнения и выливания воды;7— телескопическая трубка
для фокусировки; 8 —диафрагма: 9 — дестиллированная вода; 10 — глиняная
чашечка; 11 — сферическое зеркало, покрытое алюминием, платиной или хромиро-
ванное; 12—прн применении алюминия воду надо удалять немедленно после
•окончания работы, в противном случае зеркало может облупиться; 13 — отжимная
пружинка; 14 — часть спектра ртутной дуги, сфотографированного при помощи
прибора (изображение при наклонной щели).
спектра, полученного с ним. Он имеет большое относительное
отверстие х-. Дисперсии кристаллического кварца, плавленого
кварца и воды относятся как 25:21:19 при 3000 А. Так как
вода более прозрачна к ультрафиолетовому свету, чем кварц,
то этот монохроматор можно с успехом применять для выделе-
ния длин волн до 1820 А.
Рис. 37. Выделение участка спектра по Вуду.
1—источник света сетка Ауэра; 2—кварцевая линза; 3 — металлический
диск, выделяющий центральный конус коротковолнового шзлучения; 4 —
радиация со средней длиной волны в 100 р.
Метод выделения спектральной полосы с помощью фокуси-
ровки. На рис. 37 изображен предложенный Вудом метод выде-
ления радиации от сетки Вельсбаха в далекой инфракрасной
части (Л. IX, 70) с помощью фокусировки. Вообразим, что первая
линза помещена по отношению к источнику света на двойном
фокусном расстоянии для далеких инфракрасных лучей, при чем
ее показатель преломления для них равен 2,25, тогда ближние
инфракрасные лучи с показателем преломления в 1,4, выходя-
щие из линзы, должны рассеиваться. Непрозрачное пятно в центре
кварцевой линзы задерживает проходящие сквозь ее середину
близкие инфракрасные лучи, в то время как далекие инфракрасные
лучи от периферических частей линзы свободно пройдут сквозь
диафрагму. Обычно устанавливают последовательно две линзы,
чтобы вызвать почти полное выделение лишь одних далеких
инфракрасных лучей.
Метод выделения с помощью фокусировки кварцевой линзы
применялся и в ультрафиолетовом свете для выделения групп
алюминиевых линий с длинами волн около 1940 А (Л. IX, 26). Не-
смотря на то что для кварца не получается такая разница в показа-
телях преломления в этой части спектра, какая имеет место для ин-
фракрасной области, оказалось возможным выделить эти линии из
остального спектра алюминия со спектральной чистотой до 0,98.
Полученная при этом общая интенсивность оказалась в семь
раз больше той, которую можно было получить при помощи
373
J
Рис. 38. Метод остаточных лучен для выделения узких полос в инфра-
красной области спектра.
I — общая схема; II—деталь подстарки; П1 — астрономическая установка.
1 — ауэровская горелка в трубе с охлаждаемыми водой стенками и с окошком из тонкой
пленки; 2 — здесь может быть помещена кювета для наблюдения поглощения в газах;
3 — сферическое зеркало, покрытое алюмиишм; 4 — латунши оправа д я кристаллов;
5 — вакуумная термопара; 6 — провода к гальванометру; 7 — осушитель; 8 —нивеллиро-
вочные винты для зеркал; 9 — сферические зеркала, покрытые алюминием; 10 — бумажное
кольцо; 11 — кристаллы; 12 — окошко; 13 — телескоп; 14 — параллельный пучок от испы-
туемого источника; 15—кристалл-отражателт; 16—алюминированное зеркало по Гершелю;
17 — алюминированное сферическое зеркало; 18 — две соединенные навстречу вакуумные
термопары, смонтированные таким способом, что легкое вращение эксцен'гика автома-
тически на годит установку на фокус поперг менно то на один, то на другой спай.
обычного кварцевого монохроматора. Meroi изоляции при по-
мощи фокусировки применялся и к группам линий цинка с длинами
волн от 2030 до 2140 А.
Выделение остаточных лучей. Прибор для выделения ин-
фракрасного излучения определенных длин волн (Л. IX, 78) по
методу остаточных лучей изображен на рис. 38. Схема, предста-
вленная на этом рисунке сверху, рассчитана на пять последова-
тельных отражений от кристаллов, в то время как в аппарате,
изображенном внизу рисунка и установленном в главном фокусе
зеркала, дающего изображение щели, имеют место только два
отражения от кристаллов.
Если аппарат с двумя кристаллами рассчитан на пропускание
волн в 6,7’1 (кристаллы из кальцита), то он оказывается при-
годен для оптического измерения влажности воздуха, так как
эта область спектра очень чувствительна к парам воды, находя-
щимся на пути лучей. Равным образом с кристаллами кварца,
карборунда или двухромэзокислого калия, пропускающими после
отражения полосы спектра с длинами волн около 8,7, 12 и 11,6»х,
этот инструмент можно применять как оптический пирометр
для низких температур, нечувствительный ни к водяным парам,
ни к легкому дыму или мгле. В пределах от 8 до 13 у- погло-
щение радиации вочяным паром в воздухе очень мало, даже
если воздух очень влажен. В этой области спектра вся толща
атмосферы обладает прозрачностью, сравнимой с прозрачностью
ее для зеленых или желтых лучей (7'=85'4).
Изготовление пластинок для получения остаточных лучей.
Изготовление пластинок для получения остаточных лучей тре-
бует большого внимания. Необходимо получить оптически пра-
вильную, блестящую, чистую поверхность определенного кристал-
лического вещества. Вырезание и полировка таких поверхностей
из больших монокристаллов является весьма трудоемкой опе-
рацией, при чем этим путем не удается получить отражающие
поверхности из многих таких веществ, которые могут представлять
интерес для исследователя. Проще получить отражающую по-
верхность путем кристаллизации вещества на поверхности опти-
ческого стекла. Когда слой кристаллов сделается достаточно
толстым и плотным, его можно снять со стекла без повреждения
поверхности. Чтобы кристаллы легче отделялись, их полезно
сильно охладить вместе со стеклом, например при помощи
твердой углекислоты, а затем быстро нагреть; разность коэфи-
циентов расширения вызовет тангенциальные напряжения вдоль
поверхностей соприкосновения и облегчит их разделение, если
только при этом кристаллы не растрескаются.
Недавно Ж. Е. Сандерсоном был опубликован универсальный
способ получения отражающих поверхностей, пригодный для
самых разнообразных веществ. Он состоит в спрессовывании
под очень большим давлением, до 1000 атмосфер, мелкого одно-
375
родного порошка из интересующего нас вещества между двумя
стальными закаленными и отполированными оптическими поверх-
ностями?
Поверхности могут быть плоскими или сферическими. Сни-
жение давления следует производить осторожно, постепенно,
так, чтобы поверхность не растрескалась. Полезно также под-
Рис. 39. Спектральные характеристики различных поляризующих свет приборов.
I—поляризующие пластинки по Марксу: 1— параллельные; 2—скрещенные.
II — поляроиды: 1 — параллельные; 2 — скрещенные.
вергнуть вещество в сжатом состоянии термической обработке
(нагревание и охлаждение), соответствующей его природе. Чтобы
легче было снять этот слой, стальную пластинку рекомендуется
предварительно обработать так, чтобы на ней получился тон-
чайший слой, уменьшающий силы сцепления.
Опыты показали, что отражающие пластинки, полученные этим
методом, действуют не хуже пластинок, вырезанных из целых
кристаллов.
Поляризация света
В настоящее время появились новые поляризационные при-
боры, пригодные в видимой части спектра, однако они не столь
совершенны, как разные типы призм Николя.
Коэфициент пропускания этих поляризаторов, как видно из
рис. 39, не так высок, как у призмы Николя. Последняя пропу-
скает более 80% света, поляризованного в одной плоскости,
при надлежащей его поляризации относительно кристаллических
осей.
Две точно скрещенные призмы Николя совершенно непро-
зрачны. Они не пропускают даже столько света, сколько нужно
1 J. A. Sanderson, Metallic reflection by compressed cristallin powders-
J. O. S. A. v. 30, № 11, рр.Л556—567, 1940.
376
для того, чтобы видеть сквозь них очертания солнечного диска-
Однако чтобы добиться такой степени непрозрачности, необхо-
димо обе призмы Николя установить точно друг против друга
(точность должна быть порядка 1 сек. дуги).
Новые поляризаторы имеют перед призмами Николя то пре-
имущество, что они могут полярнзировать пучок световых лучей
с большим углом поля зрения как в плоскости, так и в про-
Рис. 40. Полярископ большого размера с черным зеркалом.
1 — футляр для лампы; 2 — собирательная линза; 3—черное стекло
или плоская стеклянная пластинка, ьыкрашенная черной краской
с нижней стороны; 4 — стеклянный сосуд с плоскопараллельными
стеклами для погружения предметов в жидкость одинакового с
ними показателя преломления; 5 — собирательная линза; 6 — отри-
цательная линза; 7 — слюдяная пластника в одну длину волны; 8 —
николь-анализатор.
При употреблении поляроида или аналогичного поляризующего
вещества отрицательная линза может быть удалена.
странстве (на рис. 40 и 41 представлены два примера применения
новых поляризаторов).
Одна из установок, изображенная на рис. 40, применяется для
оценки напряжений в стекле. Объекты, предназначенные для
испытаний на напряжение, как, например, спай металла со
стеклом, погружают в банку с плоскопараллельными стенками,
наполненную жидкой средой, имеющей тот же показатель прело-
мления, что и стекло. Этой средой может быть, например, смесь
в равных количествах сероуглерода и бензина или смесь ксилена.
и алкоголя,
Для этой цели иногда можно применить и жидкость Дюкло
из раствора бромистой ртути и бромистого бария с показателем'
преломления близким к 1,5 (см. гл. XIII, стр. 562).
Поляризованный свет, полученный от лампы путем отражения
От черного стекла при падении под углом полной поляризации
(или отражением от задней поверхности фотографической пла-
стинки, которая была предварительно засвечена, проявлена, от-
фиксирована и высушена), наблюдают сквозь слюдяную пластин-
ку толщиной равной длине волны и сквозь анализатор. (Способ
377
изготовления пластинок с толщиной, соответствующей длине
волны, описан ниже на стр. 381).
Когда перед анализатором помещена пластинка в целую волну,
легкие изменения поляризации, происходящие в поле зрения,
воспринимаются как изменения цвета, начиная от пурпурного,
который мы видим при отсутствии натяжений в стекле.
Технические применения поляризованного света. Свойство
изотропных прозрачных материалов становиться двупреломляю-
Рис. 41. Прибор для фогографирования натяжений с приме-
нением поляроидов.
1 —испытуемый образуй; 2 — сфернческо; зеркале; 3—источник свата;
4—конденсирующие линзы; 5 — пластинки в четверть волны; 6 — диски
поляроидов; 7 — объектвная линза, наклоненная для получения нужного
астигматизма; 8 — экран или фотографическая пластинка.
тцими при растяжении применяется в технике для изучения раз-
меров и распределения напряжений, возникающих при нагрузке
различных сооружений в двух измерениях. Примером таких работ
является изучение моделей поперечных сечений дамб и плотин
(Л. IX, 10, 32).
На рис. 41 изображена установка для таких исследований
из сферических зеркал и новых поляризаторов. Астигматизм
(обусловленный установкой зеркал под углом к оси) может быть
по крайней мере частично скомпенсирован соответствующим по-
воротом объектива в фотокамере относительно горизонтальной
оси.
Модель детали, подлежащей исследованию, обычно делают
из прозрачной пластинки бакелита или другой однородной (без
свилей) пластмассы.
В табл. 12 даны необходимые для расчетов коэфициенты двой-
ного лучепреломления различных веществ, пригодных для изго-
товления моделей.
378
Таблица 12
Материалы для наблюдения натяжений в поляризованном
свете
Материал 1 Предел упругости 1 кг см2 Коьфицитг вынужден- ного двойного лучепре- ломления (по Брюстеру)
Стекло । 2,7
Целлулоид 279,2 11.1
Бакелит 383,9 44,5
Фенолит 488,6 56.7
Марбл и тт 191,9 1 132,5
В установке, изображенной на рис. 41, применены пластинки
1 „ ,
в 4- волны, чюоы отделить фигуры изоклинического узора,
состоящего из линий, вдоль которых главное натяжение в об-
разце имеет постоянный наклон от изохроматического узора,
образуемого линиями, вдоль которых величина (р — д) имеет
постоянное значение. Буквы р и q обозначают главные натяже-
ния, которые вызывает в образце приложенная к нему нагрузка.
Методы определения численной величины р и q на основании
измерений изоклин и изохром нельзя изложить здесь, так как
они очень сложны (Л. IX, 19, 40).
Однако, несмотря на это, указанный экспериментальный ме-
тод изучения напряжений для многих фигур и конструкций ока-
зывается все же более легким, чем метод теоретический, а кроме
того, экспериментальный метод имеет перед теоретическим еще
и то преимущество, что он представляет собой непосредственное
обращение к природе для получения нужных нам сведений.
Пластинка в четверть, половину и целую волну. Такие
пластинки делают из кварца, селенита (кристаллический гипс)
или из слюды, вырезывая их из кристалла или расщепляя его па-
раллельно оптической оси. Толщину пластинки нужно подбирать
так, чтобы запаздывание обыкновенного луча относительно не-
обыкновенного соответствовало бы 1 1 , или 1 целой длине
волны; толщина т, необходимая для пластинки в четверть волны,
Должна поэтому равняться:'
-I (Пе — лп ) ’
(2)
где пе — показатель преломления кристалла (ля необыкновенного
луча, Ло — для обыкновенного, а X— длина волны. Для слюды
379
толщина пластинки в четверть волны для линии D должна быть
равна приблизительно 0,036 мм.
Если для слюды величина (пе — п3) может заметно меняться
от образца (Л. IX, 25) к образцу, то для разных длин волн
видимого света ее можно считать почти одной и той же. Поэтому
в первом приближении толщину пластинки в четверть волны
можно считать пропорциональной той длине волны, для которой
она предназначается.
Пластинка в четверть волны, поставленная перпендикулярно
к пучку поляризованного света так, что ее главная оптическая
ось направлена под углом в 45° к азимуту плоскости поляриза-
ции, вызывает запаздывание половины всего поляризованного
света по его фазе колебаний на 90° относительно фазы другой
половины, создавая таким образом свет, поляризованный по кругу.
Наоборот, эта же пластинка в четверть волны может превратить
свет, поляризованный по кругу, в обычный круговой плоскопо-
ляризованный свет. Ориентированная так же пластинка в пол-
волны преобразует плоскополяризованный свет в свет плоско-
поляризованный, повернутый по азимуту на 90°. Главные опти-
ческие оси в кусочках слюды можно найти, помещая их между
скрещенными призмами Николя. Главные оптические оси будут
параллельны или образовывать прямые углы с азимутом поляри-
зации падающего на слюду света, когда кусочки слюды (любой
толщины) ориентированы так, то они не просветляют темного
поля, создаваемого вторым Николем (анализатором).
В предложенном Тёттоном (Л. IX, 43) методе, предназначенном
для того, чтобы отличать друг от друга две главные оси у пластинки
в четверть волны, пластинку следует поместить между скрещен-
ными призмами Николя (так, чтобы ее плоскость была перпен-
дикулярна к оси падающего пучка белого поляризованного света)
и ориентировать относительно азимута поляризации так, чтобы
получить максимальное просветление темного поля. В этом по-
ложении главные оси в пластинке будут составлять с азимутом
поляризации падающего поляризованного света угол в 45°. После
этого пластинку слюды следует повернуть сначала вокруг одной
главной оси, затем вокруг другой, так чтобы и в том и в другом
случае свет проходил более толстый слой слюды. В одном слу-
чае цвет пластинки станет изменяться от синевато-серого через
стальной серый до черного, а во втором — переходить от белого
к желтому и затем к цветам высших порядков. Второй порядок
смены цветов соответствует повороту пластинки вокруг главной
оси, соответствующей более медленному распространению эле-
ктромагнитных колебаний в слюде, тогда как первый порядок
смены цветов отвечает вращению вокруг оси, по которой коле-
бания в слюде распространяются быстрее.
Расщепление слюды. Пластины в четверть волны легче всего
сделать из слюды, так как она легко расщепляется до нужной
толщины.
380
От толстой прозрачной пластинки слюды отщепляют сначала
довольно толстый слой. Этот исходный кусок сначала обрезают
со всех сторон приблизительно до размеров в 6 см2 острой
бритвой так, чтобы получить совершенно гладкие края (точный
размер исходного куска несущественен). Затем один из углов по-
лученной пластинки правильной формы расщепляют трением паль-
ца, чтобы слои начали отставать друг от друга, а затем между
ними вводят чистую медицинскую острую иглу, чтобы вся пла-
стинка разделилась по толщине приблизительно пополам. В по-
лученную таким способом щель вводят каплю воды (Л. IX, 77).
После этого слюду легко расщепить нацело, проводя иглой вдоль
края, сначала лишь кончиком, направив его под углом к краю около
30°, так, чтобы расщепление в любом участке края начиналось
внутри, а не на самом краю слоя. Таким способом можно преду-
предить образование надломов на краях, которые обусловливают
расщепление с образованием ступенек. После того как игла
прошла по всей периферии края куска слюды, в щель вводят
вторую каплю воды, и слой отделяют до конца. Вода настолько
облегчает расщепление, что слои отделяются друг от друга почти
с такой же легкостью, как страницы в книге. Эту операцию
повторяют до тех пор, пока не будет получен отщепленный
слой толщиной приблизительно в 0,036 мм или тех размеров,
какие требуются. Гораздо проще делить слой каждый раз таким
образом, чтобы получились два слоя приблизительно одинаковой
толщины и толщину их проверять микрометром или оптиметром.
Эталонные пластинки из слюды (Л. IX, 88). Слюдяные эталоны
можно изготовить следующим способом: на исходном кусочке
слюды сначала отмечают главные оси и отщепляют возможно более
тонкий слой; из него затем вырезают полоски шириной около
6,35 мм. Полоски вырезались под углом в 45° к главным осям.
Затем из этих полосок нарезают прямоугольники длиной 5, 4,7,
4,5 и 4,25 см и т. д. (рис. 42).
Эти полоски склеивают (канадским бальзамом) и оклеивают
двумя тонкими плоскими стеклянными пластинками, как показано
Рис. 42. Слюдяной эталон длин волн.
I полосы, вырезании? из'тонкого слюдяного листочка; 2 — ось кристалла слюды; 3 — полоски
крепятся на стекло, образуя лесенку; 4 — лесенка закрывается покровным стеклом и наклей
вается шкала; 5 — готовый эталон.
381
на рис. 42, соблюдая при этом предосторожность, чтобы ни одна
полоска не была наклеена вверх ногами или повернута справа
налево. Потом против каждой ступени проставляют соответствую-
щие обозначения.
Отставание фаз на каждой ступеньке эталона определяют
следующим образом. Сначала в приборе Норремберга устанавли-
вают анализатор на максимум пропускаемое™ света, а затем
помещают эталон на зеркало прибора (рис. 43) или параллельно
или перпендикулярно к азимуту поляризации. Для освещения
пользуются натриевым светом и отмечают номера тех ступенек,
которые дают темное поле. Ступенька, дающая затемнение,
является для линии D пластинкой в четверть волны. Остальные
ступени должны быть толще или тоньше, пропорционально их
номерам.
Применение слюдяного эталона. Эталоном пользуются сле-
дующим образом: сначала николь-анализатор в приборе Норрем-
берга устанавливают на темное поле. Потом слюду неизвестной
толщины помещают на нижнее зеркало прибора так, чтобы ее
главные оси составляли с азимутом поляризации угол в 45,
давая максимум просветления поля. Затем полоску слюдяного
эталона накладывают на поверхность слюды так, чтобы она была
или параллельна или перпендикулярна к азимуту поляризации.
При одном из этих положений ступенька окрашивается в цвета
„интерференции'*, а при другом, правильном относительном рас-
положении на одной или даже на двух ступенях получается
темное поле. Цена деления толщины ступени, дающей затемне-
ние, соответствует запаздыванию фазы за счет исследуемого
образца слюды. Путем интерполирования можно добиться очень
большой точности в этих измерениях.
Увеличение (оптическая сила) линз
Поперечное линейное увеличение линзы представляет отно-
шение диаметра изображения к диаметру объекта, или, иными
словами, отношение поперечного смещения изображения к попе-
речному смещению объекта.
Для простой линзы увеличение равно отношению расстояния
от линзы до изображения к расстоянию от нее до объекта. Для
таких оптических систем, какие бывают в спектрометрах, обяза-
тельно снабженных, во-первых, коллиматором из линзы или зер-
кал с объектом (щелью), помещенным в самой фокальной пло-
скости или в непосредственной близости от нее, и, во-вторых,
телескопической системой, дающей изображение (то же в своей
фокальной плоскости или близ нее), увеличение равняется отно-
шению фокусного расстояния телескопической системы (зритель-
ной трубы или фотокамеры) к фокусному расстоянию коллима-
тора.
382
в зрительных трубах положение иное. Здесь на объектив
падает параллельный световой поток, который наблюдается в оку-
ляр, установленный так, что его фокальная плоскость очень
близка к фокальной плоскости объектива. В этом случае мы
получаем так называемое угловое увеличение
отношению фокусного расстояния объек-
тива к фокусному расстоянию окуляра.
Продольным линейным увеличением
оптической системы, которая дает изобра-
жение, называется отношение смещения
изображения вдоль оптической оси к сме-
щению объекта. Когда система состоит из
двух линз (или зеркал) с объектом и изо-
бражением в соответствующих фокальных
плоскостях этих элементов или близко от
них, продольное увеличение равно квад-
рату отношения фокусных расстояний.
Другие свойства линз. Когда парал-
лельный пучок света фокусируется на
оптической оси тонкой линзы, ее фокусное
расстояние f удовлетворяет уравнению:
в радианах равное
(3) Рис. 43. Упрощенный
прибор Норремберга.
1 — отверстие для Енализато-
j а; 2 — пластинки чистою
1)розра«ного стекла; 3 — ис-
следуемый объект; 4— зеркало,
носеребренчэе сзади; 5 — ли-
нии, нацарапанные на сереб-
ряном слое.
где гх и г2— радиусы кривизны двух по-
верхностей линзы, а п — показатель пре-
ломления материала, из которого сделана
линза. Радиусы г считаются положитель-
ными, если соответствующая им кривизна
поверхности линзы делает поток световых лучей из параллельных
сходящимися.
Если свет падает под углом к оптической оси линзы, то имеет
место астигматизм (рис. 44). Так, например, если линзу накло-
нить, то наилучший фокус, в котором получается изображение
удаленной звезды и который должен быть маленьким четким яр-
ким пятном на оптической оси, превратится в широкое размытое
изображение ее. Диаметр наименьшего изображения звезды на-
зывают иногда „кругом наименьших ошибок" (кругом аббсраций,
кружком Эри). В пределах фокусного расстояния, на котором
получается наименьшее изображение вне главной оси, линза дает
на одном, определенном расстоянии наиболее резкий фокус
в форме яркой линии, перпендикулярной к плоскости, проходя-
щей^ через изображение и оптическую ось. Кроме того, впе этого
изооражения получается еще другой, тоже довольно резкий ли-
нейный фокус. Этот второй линейный фокус перпендикулярен
к линии первого фокуса и параллелен упомянутой выше плоскости.
На рис. 44 представлен астигматизм простой линзы. Геомет-
383
рическим местом точек внутренних астигматических изображе-
ний является круг а с диаметром:
dl”3 + n
(4)
пли”при л =1,5, dv — 0,275 f, а для внешних астигматических
изображений геометрическим местом является круг Ь, диаметр
которого равен:
•или для л = 1,5, d2 = 0,6/.
Особенности зеркал. Употребляемые обычно в оптике зеркала
бывают или плоские, или имеют форму тела вращения кониче-
Рис. 44. Астигматизм простой линзы.
1 —простая линза; 2 — оптическая ось; а — ня этой поверхности изображение выглядит подобно
Л; с — на ' этой поверхности изображения точки выглядят подобно С; b — на этой поверхности
изображ’ния точки выглядят подобно В.
ского сечения около его оси. Для фокусировки параллельного
лучка световых лучей это — параболоид, для получения двух
сопряженных действительных фокусов—эллипсоид, а для двух
сопряженных фокусов, один из которых мнимый, — гиперболоид.
Сферическое зеркало несомненно пригодно только для фокусиро-
вания света от точечного источника света, помещенного в центре
кривизны его, точно в центре.
Если для фокусировки параллельного пучка световых лучей,
отбрасывая его при этом еще на некоторый угол, пользоваться
384
сферическим зеркалом радиуса R, то получается астигматическое
изображение, и линии (соответствующие двум кружкам, изобра-
женным на рис. 44), определяющие положение астигматических
изображений, представляют собою одна—окружность диаметром R,
а другая —прямую линию (рис. 21, глава XI).
Свойства призм
На рис. 45 изображено одно весьма важное и интересное
свойство прямоугольной призмы.
Кроме того, эта призма, при рассматривании сквозь длинную
Рис. 45. Поворотная призма.
Рис. 46. Трехгранная
призма полного вну-
треннего отражения.
1 — свет от объекта воз-
вращается к нему обратно,
независимо от угла паде-
ния, но изображение ока-
зывается повернутым на
2 —• плоские зеркала,
перпендикулярные друг
другу, образуют прямой
трехгракный угол.
гипотенузную грань но направ-
лению к вершине угла в 90°, об-
разованного двумя другими гра-
нями, при определенном азимуте
поворота относительно луча зре-
ния, обладает интересным и часто полезным свойством направлять
пучок падающих на нее лучей обратно точно по тому же направ-
лению, независимо от его угла падения на гипотенузную грань.
Это свойство особенно ярко проявляется в призме, представляю-
щей собой срезанный угол куба, как это представлено на рис. 46.
Регистрирующие оптические системы
Профессор Гарди написал прекрасную статью о регистрирую-
щих системах, применяемых в осциллографах (Л. IX, 35). Мы
приводим здесь полученные им выводы.
Он пришел к заключению, что самая простая оптическая
система с отной линзой перед зеркальцем гальванометра дает
столько же света на регистрирующую фотопленку, при условии
одинаковой разрешающей силы, сколько дает его любая возмож-
ная сложная система сферических линз. Кроме того, он указал,
нто фокусное расстояние этой простейшей оптической системы
Должно быть подобрано так. чтобы предел разрешающей силы
25 Стр°нг 385
в большей мере зависел от свойств фотографическою материала,
чем от явлений интерференции. Хотя на фотографических сним-
ках можно разрешить до 25 линий на 1 мм, а иногда даже
значительно более, тем не менее Гарди установил, притом до-
вольно произвольно, практический предел в 0,1 мм. Чтобы полу-
чить максимум освещения и в то же время сэкономить фото-
графический материал, простую линзу надо выбрать так, чтобы
она давала светлое пятно шириной не более чем в 0,1 мм.
Однако пользуясь астигматической оптической системой, вроде
той, которая изображена на рис. 47, легко можно за счет длинной
щели получить освещение в девять раз ярче, чем с простой линзой.
Кроме того, эта астигматическая система имеет еще одно преи-
мущество, заключающееся в том, что повороты и колебания зер-
кальца гальванометра около горизонтальной осп не вызывают
вертикального смещения изображения на регистрирующей пленке.
Рис. 47. Схема оптической установки самописца (фотогра-
фическая регистрация показаний гальванометра).
1 — источник света; 2 — конденсор, дающий изображение источника на
зеркальце гальванометра; 3 —щель; 4 — плосковыпуклая линза, дающая
изображение щели на фильме; 5 — гальванометр; 6 — кинофильм на бара-
бане хронографа; 7 — цилиндрическая короткофокусная линза, лающая
уменьшенное изображение зеркальца гальванометра па поверхности
эмульсии.
Расчет максимума скорости, с какой можно допустить 1дви-
жение регистрирующего светлого пятна по поверхности фотогра-
фической эмульсии, чтобы оно могло оставить на ней еще замет-
ный след, будет рассмотрен в главе XI. В этот расчет будет
включена астигматическая схема регистрации, изображенная на
рис. 47. Благодаря новейшим успехам в разработке высокочув-
ствительных фотографических эмульсий, приведенных в табл. 6
главы XI, числовые данные для различных фотоматериалов
можно считать несомненно устаревшими и преуменьшенными.
Мы указываем в библиографии лучшие работы, относящиеся
к вопросам, обсуждающимся в этой главе (Л. IX, 4,27,36,51,56,
71, 84).
ГЛАВА X
ФОТОЭЛЕМЕНТЫ И УСИЛИТЕЛИ
Введение
Фотоэлементы, наряду с термопарой и фотопластинкой, играют
значительную роль в физической лаборатории как приборы для
измерения интенсивности излучения. Чувствительность фотоэле-
мента изменяется с длиной волны подобно тому, как изменяется
чувствительность фотопластинки, и, таким образом, он не может
измерять всю энергию излучения полностью, как термопара.
Фотопластинки благодаря их способности интегрировать полу-
чаемую энергию в течение больших промежутков времени более
пригодны для измерения меньших интенсивностей излучения,
чем фотоэлемент. Однако фотопластинка имеет и недостатки: ее
почернение является сложной функцией от интенсивности освеще-
ния и времени экспозиции, что вынуждает делать целые ряды
градуировок по различным продолжительностям экспозиций при
различных, но определенных интенсивностях освещения. Кроме
того, зернистость пластинки, местные изменения ее чувствитель-
ности, неодинаковое проявление по всей ее поверхности огра-
ничивают точность измерений в фотографической фотометрии.
Фотоэлемент и термопара, при соблюдении необходимых пре-
досторожностей в работе, дают линейную зависимость показаний
от интенсивности и, следовательно, более точные результаты,
чем фотопластинка. е
В инфракрасной области за 10000 А можно пользоваться только
термопарой (или другим чувствительным тепловым прибором,
например болометром). При коротких длинах волн, дающих
малые интенсивности радиации, ее можно измерять фотоэлемен-
том точнее, чем термопарой.
Пределы чувствительности приемника для обнаружения
радиации
При попытке установить крайний пре тел чувствительности
Для любого из упомянутых выше измерителей излучения при-
25* 387
ходится по необходимости довольствоваться лишь приближенной
оценкой ее, так как пределы срабатывания индикатора зависят
от различных факторов, например о г апертуры, от площади
светящегося тела, от спектрального распределения излучения
и от наличия или отсутствия отражения световой энергии. Ввиду
того, что звезды являются общедоступными эталонами для
сравнения между собой светочувствительности различных инди-
каторов к слабым источникам света, они выбраны в качестве
промежуточных эталонов при решении этого вопроса. Величины
звезд дают логарифмическую шкалу, такую, что отношение
интенсивностей равное 100 соответствует пяти звездным вели-
чинам, т. е. одна звездная величина представляет отношение
интенсивностей двух звезд равное {/100, или 2,512... Иными сло-
вами, разница в величинах между двумя звездами, имеющими
интенсивности 1Х и /2, приближенно выражается так: тх — т2 =
= 2,5 logic Л Л*
Было найдено, что свеча на расстоянии километра эквивалент-
на приблизительно звезде (Л.Х, 54), имеющей величину -f-0,8,
т. е. имеет такую же интенсивность, как и звезда Альтаир.
Из этого соотношения можно легко получить уравнение,
определяющее количество света, воспринимаемого телескопом
от данной звезды. Если т— величина звезды, d—диаметр
объектива телескопа в дюймах, a Q— количество света в люменах,
то можно показать, что:
2,5 logw Q = 7,57 — 30-J-5 log10 d—tn.
В качестве примера подсчитаем количество света, восприни-
маемого одподюймовым телескопом от Полярной звезды, которая
имеет величину 2,1. Подставляя ее в нашу формулу, получим
1,5 X Ю~10люмен.
Звезда Polaris (Полярная звезда), рассматриваемая в небольшой
лабораторный телескоп, представляет собой по порядку величины
весьма подходящий источник для оценки чувствительности фото-
элементов к слабым освещенностям. Он оказывается переменным
с периодом в 4 дня. Амплитуда колебания интенсивности ме-
няется в течение года от минимума в 0,08 звездной величины до
максимума в 0,16 величины и оказывается зависящей от спектраль-
ной чувствительности измерительного индикатора. Правильные
годичные изменения и малое суточное перемещение в некоторых
случаях могут являться мотивами для предпочтения Полярной
звезды в качестве эталонного источника другим, более постоян-
ным звездам.
Звезды различаются по спектральному распределению излу-
чаемого ими света. Для указанных выше сравнений выбирают
звезды специального класса О0, обладающие температурой солнца.
Как известно, кривая излучения солнца примерно такая же, как
и у черного тела при 6000° К. Результаты сравнения четырех
388
различных измерителей радиации даны в табл. 1. Они предста-
вляют собой пределы точности, достижимые на практике, но не
пределы, возможные на основании теоретических соображений.
В случае фотоэлемента и термопары, для которых измеряются
однократные отклонения, критерием для предела чувствитель-
ности служит среднее значение нескольких следующих одно за
другим отклонений прибора от среднего положения его, если
измеряется излучение звезды почти на пределе чувствительности
инструмента.
Таблица 1
Предел обнаружения звезд типа Солнца1
Измеритель Время экс- позиции (минуты) Диаметр телескопа (дюймы) ( Предельная звездная величина ' (видимая) Люмен (ХК~14) Эрг/сек. (Х10-9)
Фотопластинка Глаз (невооруженный) . Фотоэлемент Терморадиометр .... 240 1 0,3 5 0,32 60 100 16,3 8,5 19,5 9,5 0,8 4 6 160 000 0,5 2.5 4 100 000
Величины, приведенные в табл. 1, соответствуют точечному
источнику, испускающему белый свет, т. е. свет, имеющий спектр
солнечного света.
Для случаев, когда размер источника нельзя сделать малым,
приходится брать терморадиометр с большей поверхностью при-
емника, а предел чувствительности тогда будет не указанный
в таблице, а в 5 —10 раз выше. Точно так же эффективность
фотографической пластинки снижается, если светящийся источник
имеет значительные размеры, так как свет распределяется по
большей площади эмульсии. Как доказал Бильц (Л. X, 4), для того
чтобы поверхность эмульсии заметно почернела, необходимо
при 4360 А сообщить ей энергию в количестве 10-2 эрг,'см2.
Если предположить, что изображение звезды, приводимой
в табл. 1, является круглым, равномерно освещенным пятном
диаметром 0,06 мм, то энергия, получаемая фотопластинкой, может
быть легко вычислена и равна 0,25 эрг,'см2, т. е. в 25 раз больше
величины, данной Бильцем. Это расхождение может быть обу-
словлено тремя факторами:
1. Часть излучения имеет длину волны, к которой фотопла-
стинка не чувствительна. 2. Предел звездной фотографии опре-
1 Ross F. Е. and Calvert Mary. Atlas of the Milky Way, Chicago University
Press 1934; Russell H. N. Astrophysik. Journ, v. 45, p. 60, 1917; Smith. S.
Astrophysik. Journ. v. 76, p. 486, 1932; Pettit E. and Nicholson S. B. Astrophysik.
Journ. v. 68, p. 279, 1938.
389
деляется недостаточным контрастом между изображением звезды
и фона неба. Яркость неба так мала, что она не действует за-
метно на измеряющие радиацию приборы с относительно малой
чувствительностью. 3. Зачерненная площадь оказывается очень
мала, и для того чтобы изображение стало заметным, требуется
более высокая плотность почернения (Л. X, 7, 23, 38).
Чувствительность фотоэлемента не зависит от величины и вида
изображения источника света на нем до тех пор, пока изобра-
жение не превзойдет по своим размерам размеров катода. При
быстрых измерениях и при источниках света, обладающих малой
яркостью, это дает фотоэлементу значительное преимущество
по сравнению с фотопластинкой. Терморадиометры измеряют
энергию независимо от спектрального распределения света. Кри-
вая чувствительности человеческого глаза приведена на рис. 4.
При длине волны, соответствующей максимальной видимости,
1 люмен —1,61 X Ю-3 ватт. Изменения чувствительности различ-
ных типов фотопластинок в зависимости от длины волны сооб-
щены Миис (Л. X, 38). Кривые спектральной чувствительности
различных типов фотоэлементов представлены на рис. 1. Предпо-
лагая, что предел чувствительности определяется по наименьшему
току, который еще может быть измерен, можно считать, что эти
кривые дают зависимость предельной чувствительности от длины
волны.
Случай, указанный в табл. 1, в котором предел измеряемой
энергии равен 4ХЮ~9 эрг/сек,. соответствует, вероятно, самым
благоприятным условиям спектрального распределения. Спект-
ральная область от 2500 до 9500 А может быть перекрыта при-
бором с пределом чувствительности, не превосходящим
10“7 эрг/сек., путем подбора на ней для каждого спектрального
участка подходящего фотоэлемента.
Типы фотоэлементов
В физической лаборатории оказались наиболее полезными
два типа фотоэлементов. Один из них, старейший по времени,
фотоэлемент эмиссионного типа (с внешним фотоэффектом).
В фотоэлементе этого типа электроны вырываются из металли-
ческой поверхности под действием света и собираются на элек-
троде, получающем положительный потенциал от внешней бата-
реи. Фотоэлементы второго типа, снабженные запорным слоем,
дают фотоэлектродвижущую силу. В них свет вызывает переход
электронов сквозь выпрямляющий слой между двумя разчичными
веществами, например медь и окись меди или селен и другой
какой-нибудь металл. Ток во внешней цепи идет только благо-
даря разности потенциалов, получаемой внутри самого фотоэле-
мента за счет световой энергии, и внешняя батарея не требуется.
Оба эти фотоэлемента получили распространение сравнительно
недавно.
390
Третий тип светочувствительных приборов — это фотоэлементы
с внутренним фотоэффектом (фотосопротивления). Их действие
основано на изменении под действием света сопротивления не-
которых полупровотников, например селена, сернистого таллия
и др. Хотя эти фотоэлементы за последнее время подвергались
весьма значительным усовершенствованиям, однако они еще не
нашли большого применения в физических лабораториях. Суще-
ственный недостаток их — нелинейная зависимость показаний от
освещенности (Л. X, 19).
Особенности фотоэлементов с внешним фотоэффектом
Спектральная чувствительность различных типов" фотоэлемен-
тов с внешними фотоэффектами представлена на рис. 1.
Рис. 1. Спектральная чувствительность различных типов
вакуумных фото?лементов. 1 — вольфрам при 2870К
Относительная высота различных кривых дает только при-
близительное представление о чувствительности фотоэлементов,
так как она в значительной мере зависит от индивидуальных
особенностей каждого отдельного фотоэлемента, даже одного
и того же типа. Вертикальная шкала изображает при заданной
длине световой волны среднюю эмиссию фотоэлектронов в ваку-
умных фотоэлементах хорошего качества, отобранных из массового
производства.
В самой широкой полосе частот чувствительными оказываются
кислоро цю-цезиевые фотоэлементы, и, вероятно, поэтому их чаще
391
всего применяют в лаборатории. Такая характеристика чувстви-
тельности была выработана путем специальной обработки свето-
чувствительной поверхности, когда встретилась надобность
в фотоэлементах для измерения света от вольфрамовых ламп
накаливания, энергия излучения которых приходится главным
образом на красную и ближнюю инфракрасную части спектра.
Кислородно-цезиевые фотоэлементы имеют широкое применение
в промышленности, например для воспроизведения звука в зву-
ковом кино. Поэтому, хотя они вошли в обращение только с 1930 г.,
производство других типов фотоэлементов с внешним фото-
эффектом стало совсем незначительным?
Однако кислородно-цезиевые фотоэлементы, при измерении
слабых источников света, обнаруживают один недостаток. Они
имеют большой темновой ток, обусловленный главным образом
термоэлектронной эмиссией с чувствительной поверхности, замет-
ный уже при комнатной температуре.
Имеются сведения, что этот темновой ток достигает величины
10 У (Л. Х,33) и более, в зависимости от площади чувствительной
поверхности. Современные фотоэлементы, применяемые в уста-
новках с минимальными потерями на утечку по баллону и цоколю,
имеют обычно темновой ток порядка 10~п, а иногда только 10“12
ампера. Если же фототок оказывается значительно меньшим
(скажем, в 1000 раз), чем этот темновой ток, то он может
маскироваться неизбежными флуктуациями темнового тока.
Темновой ток можно уменьшить до 10~ь ампера и далее посред-
ством охлаждения фотоэлемента твердой углекислотой (сухой
снег). Это описано Холлом и Беннеттом (Л. X, 16) в их работах по
применению кислородно-цсзиевых фотоэлементов для фотометри-
рования звезд (Л. X, 3).
Высокая чувствительность цезиевых фотоэлементов в инфра-
красной области для некоторых измерений неудобна, как, напри-
мер, при сравнении цвета различных предметов, когда необходимо
измерить интенсивность света сквозь синий фильтр. Почти все
синие фильтры, изготовляемые из стекла или желатина, в большей
или меньшей степени прозрачны для инфракрасной области.
Поэтому при измерениях с помощью кислородно-цезиевых фото-
элементов неизбежны грубые ошибки, если не добавить к ним
фильтра для устранения инфракрасной области спектра. Стандарт-
ным фильтром для устранения инфракрасной области спектра
служит раствор медного купороса. Гибсон рекомендует
брать 57 г CuSO45H2O на 1 л воды при толщине слоя
в 20 мм. Кривая пропускания его дана на рис. 24, главы IX.
Так же удовлетворительно работают фильтры из специального
стекла: Корнинга яАк1о“, фосфатного стекла, разработанного
1 В настоящее время их уже заменили новые тины фотоэлементов, в ча-
стности сурьмяно-цезиевые. Прим. pet).
392
в Государственном Оптическом институте инж. И. М. Проком,
и йенского стекла BG-18.
Когда требуется полная нечувствительность фотоэлемента
в инфракрасной области спектра, например для целей колори-
метрии и спектрофотометрии, иногда применяют кислородно-
калиевые фотоэлементы. С ними можно применять обычные
Фильтры без особых предосторожностей для устранения под-
свечивания за счет инфракрасной области. Кислородно-калиевые
фотоэлементы имеют удовлетворительную чувствительность
в красной области с порогом около 8000 А и более
высокую чувствительность, чем цезиевые, в зеленой и голубой
области. Темновым током у них можно вполне пренебре ш.
Цезиево-магниевые фотоэлементы также пригодны для подобных
измерений. Порог для этого типа светочувствительных поверх-
ностей лежит около 7000А.
Калиевые фотоэлементы, очувствленные водородом, свето-
чувствительны в очень узкой области длин волн, главным образом
в синей, и имеют максимум около 4400 А. Их чувствительность
к белому свету и особенно к свету от вольфрамовых ламп нака-
ливания значительно ниже, чем у кислородно-цезиевых фотоэлемен-
тов. Тем не менее в фотометрии звезд, у которых температура
всегда выше, чем у ламп накаливания, и которые дают соответ-
ственно большее количество синего света, водородно-калиевые
фотоэлементы оказались особенно ценными. Для этих работ самым
существенным является их ничтожный темновой ток, зависящий
повидимому только от качества изоляции баллона. Смит (Л. X, 57)
сообщает, что темновой ток в его водородно-калиевом фотоэле-
менте в баллоне из плавленого кварца оказался равным только
5 X 10“18 ампера.
Для ультрафиолетовой области спектра пригоден кислородио-
цезиевый фотоэлемент. При таких изменениях, в которых фото-
элемент должен быть чувствителен только в ультрафиолетовой
области, применяют и другие типы фотоэлементов с различными
порогами чувствительности. Натриевые фотоэлементы чувстви-
тельны главным образом к длинам волн от 2000 до 4000 А и обла-
дают небольшой чувствительностью в видимой области. Для
самых коротких световых волн в ультрафиолетовой области поль-
зуются фотоэлементами с катодами из тория, титана или вольфрама.
Торий чувствителен в области от 2500 до 3600 А, титан—от
2500 до 3200 А и вольфрам — от 1700 до 2700 А. Для по-
строения кривых спектральной чувствительности этих фотоэле-
ментов, аналогичных кривым рис. 1, нет достаточных данных,
но можно отметить, что чувствительность их в области длин
волн ниже 3000А оказывается сравнимой с чувствительностью
натриевых фотоэлементов при длинах волн мсныпих 3000 А-
Эти типы фотоэлементов, а также фотоэлементы с катодами
из кадмия и сплава кадмия с 5 —10% магния, имеющие границу
чувствительности как раз на границе видимой области, особенно
полезны при исследовании биологического действия ультрафио-
летового света.
Для увеличения чувствительности фотоэлементов с внешним
-фотоэффектом, их иногда наполняют благородным газом, что
повышает силу фототока в 5 —10 раз; но при этом показания
фотоэлемента теряют линейную зависимость от освещения, дела-
ются менее устойчивыми, и темновой ток возрастает.
Степень чувствительности фотоэлементов в производстве
обычно оценивается по их фототоку при освещении вольфрамо-
вой лампой накаливания и при цветовой температуре 2870°К,
которая принята в качестве стандартной для сравнения одного
фотоэлемента с другим. Примерно это рабочая температура
обычной 300-ваттной газонаполненной осветительной вольфра-
мовой лампы накаливания. Если производить измерение с лампой
при более низкой цветовой температуре, то кислородно-цезиевый
фотоэлемент даст слегка завышенную оценку освещенности, в то
время как фотоэлементы, чувствительные в синей области
спектра, наоборот, дают уменьшение показания. Для грубых
проверок могут употребляться газонаполненные лампы „Mazda"
от 50 до 100 ватт. При нормальном напряжении эти лампы имеют
световую отдачу равную приблизительно 1,0 свеч./ватт (с погреш-
ностью, не превосходящей 10—20%) и цветовую температуру
около 2700' К (Л. X, 43). В случаях измерения фотоэлементом очень
слабых источников света весьма существенна хорошая изоляция
между катодом и анодом. Если изоляция недостаточна, темновой
ток вследствие утечки может во много раз превосходить фототок.
Например, в некоторых фотоэлементах, предназначенных для
воспроизведения звука в звуковом кино, в которых фототок
достигает величины 1 микроампера, оба ввода фотоэлемента можно
присоединить к ножкам обычного четырехштырькового цоколя
радиолампы. Фотоэлементы этого типа непригодны для измерения
фототоков меньших 10“9 ампера. В других фотоэлементах вводы
анода и катода оформляются в виде отдельных колпачков на
баллоне, и, таким образом, между обоими вводами находится
большой участок чистого стекла, что обеспечивает хорошую их
изоляцию. Фотоэлементы без цоколя, в которых оба ввода сделаны
сквозь одну ножку на малом расстоянии друг от друга, лучше
чем фотоэлементы с цоколем, но не так хороши, как фотоэле-
менты с вводами сквозь отдельные ножки с противоположных
сторон баллона.
В некоторых случаях ток утечки по поверхности баллона
может быть практически исключен посредством охранного коль-
ца, расположенного на баллоне фотоэлемента. Это кольцо можно
сделать, обмотав несколько раз тонкую проволоку вокруг фото-
элемента и закрасив ее аквадагом (коллоидальный уголь в воде)
394
или смесью ламповой копоти с гуммиарабиком. Охранное кольцо
должно быть присоединено к такой точке схемы, чтобы разность
потенциалов на изоляции между ним и изолированным вводом
была бы по возможности близка к нулю. При некоторых спосо-
бах изготовления фотоэлементов, особенно кислородно-цезиевых,
на стенках баллона остается иногда тонкий осадок, который
значительно уменьшает сопротивление изоляции. Обычным спо-
собом исправления этого недостатка является внутреннее охран-
ное кольцо. Некоторые заводы снабжают этим приспособлением
наиболее ответственные типы выпускаемых ими фотоэлементов.
В общем ток утечки по изоляции значительно уменьшается
при охлаждении, потому что природа проводимости изоляции
обычно бывает квази-электролитическая. Так, например, темновой
ток американского фотоэлемента RCA 917 при охлаждении
сухим льдом (твердая углекислота) уменьшается от 10 10 ампера
до 10~13 ампера. Такой слабый ток уже не даст большой ошибки,
если только не требуется особенно высокая чувствительность.
Таким образом, становится возможным употребление продажных
фотоэлементов массового изготовления для измерения даже
очень слабых источников света. Установка для охлаждения фото-
элемента сухим льдом описана на стр. 418.
Производство фотоэлементов
Всякий, кому встретится надобность в фотоэлементах, конечно,
найдет более выгодным в смысле затраты труда, времени и денег
купить готовый фотоэлемент, а не делать его самому. Производ-
ство высокочувствительных катодов все еще является высоким
искусством, которое не может быть полностью описано в лите-
ратуре и тем более усвоено по основе одного только изучения
этой литературы. Без соответствующих упражнений и приобрете-
ния практических навыков овладеть им нельзя.
Многие производственные организации принимают заказы
и на специальные фотоэлементы с внутренними охранными коль-
цами или другими дополнениями или изменениями (Л. X, 24, 46,
49, о2), например с отложением Th, W и проч, на катоде.
Вакуумные и газонаполненные фотоэлементы
В вакуумных фотоэлементах анод просто собирает электроны,
вылетающие из светочувствительного катода. При заданном
освещении ток сначала возрастает при повышении напряжения
примерно до 25 вольт за счет объемного заряда, а затем по-
степенно доходит до насыщения и дальше остается постоянным,
пропорциональным освещению. Введение инертного газа при
давлении в несколько десятых миллиметра позволяет усиливать
первичный фототок благодаря ионизации от столкновений. На
395
рис. 2 изображено соотношение между током и напряжением
в вакууме и в газе для двух поверхностей одной и той же чувстви-
тельности. При увеличении напряжения газовый коэфициент усиле-
ния увеличивается до такого напряжения, когда светящийся тлею-
щий разряд может в некоторых случаях повредить чувствитель-
ную поверхность, если он будет продолжаться дольше нескольких
долей секунды. Напряжение при котором появляется тлеющий
разряд, оказывается тем ниже, чем больше освещенность свето-
чувствительного слоя. Таким образом, условия работы фотоэле-
мента, безопасные в темноте или при малых освещенностях
с точки зрения появления тлеющего разряда, могут вызвать по-
следний, если выставить фотоэлемент на сильный свет. Газовый
коэфициент усиления обычно рекомендуется брать не больше 10.
Давление газа в типовых фотоэлементах обычно так и под-
бирают, чтобы напряжение в 90 вольт было максимальным,
Рис. 2. Всльтамперные характеристики газонаполненного (1)
и вакуумного (2) фотоэлементов.
гарантирующим от разряда при освещении фотоэлемента свето-
вым потоком в ОД люмена. Однако если работать со слабыми
источниками света, то в этих фотоэлементах можно, повышая
напряжение, доводить коэфициент усиления до 20—40. Полезно
знать, что если увеличение напряжения на 10 вольт дает удвое-
ние чувствительности, то работа будет уже на пределе зажи-
гания тлеющего разряда. Имеются сведения (Л. X, 60), что коэфи-
циент усиления может быть доведен до 600, но ток фотоэлемента
становится очень неустойчивым, так как при этом напряжении мы
подходим к самой границе его, вызывающей свечение.
В цепи газового фотоэлемента всегта необходимо иметь
защитное сопротивление по крайней мере в 100000 ом, для
того чтобы ограничить ток и напряжение на зажимах до вели-
чин, безопасных в смысле появления тлеющего разряда.
Скорость срабатывания вакуумного фотоэлемента ограничена
396
только временем перелета фотоэлектрона с катода на анод
(и отчасти взаимной емкостью их), но обычно она бывает огра-
ничена параметрами усилителя. Газонаполненные фотоэлементы
имеют свою определенную временную постоянную (обладают
„инерционностью"). Поэтому при работе с модулированными
световыми сигналами чувствительность постепенно падает с увели-
чением частоты мотуляции, и это ослабление чувствительности
становится особенно заметным, начиная с 10000 циклов. Данные
частотных характеристик обычно прилагаются к фотоэлементам
изготовляющими их заводами.
Для фотоэлементов, применяющихся в звуковом кино, это
обязательно.
Газовые фотоэлементы дают нелинейную зависимость тока от
напряжения на крутом подъеме вольт-амперной характеристики.
При освещении фотоэлемента разность потенциалов на его зажи-
мах уменьшается, вследствие падения напряжения на внешнем
сопротивлении, а с уменьшением потенциала уменьшается и чув-
ствительность фотоэлемента. С другой стороны, газовый коэфи-
циент усиления увеличивается при более интенсивном освещении,
обусловливая погрешность противоположного знака. Поэтому
нельзя дать общего правила для оценки работы фотоэлемента
в разных условиях. Каждый фактор, влияющий на нее, следует
в конкретной схеме исследовать отдельно. Однако в большинстве
лабораторных измерений, при которых интенсивности света малы,
затруднения, связанные с нелинейностью, оказываются не столь
велики и нелинейностью вероятно можно просто пренебрегать.
В действительности почти все недостатки газонаполненных фото-
элементов устраняются при работе со слабыми источниками света.
Недавно Стеббинс и Уитфорд (Л. X, 58) получили линейную шкалу
с тысячей делений для калий-гидридного фотоэлемента при по-
стоянном напряжении на фотоэлементе. Наибольший ток при
этом был всего в 3 X Ю~12 ампера. Они нашли, что отклонение от
линейности не больше вероятной ошибки, которая сама не боль-
ше 1%.
Однако в большинстве случаев, даже если фотоэлектрический
ток достаточно мал, от газового усиления мы получаем часто
заметное приближение к границе между удовлетворительной
и неудовлетворительной работой фотоэлемента. Когда же интен-
сивность света достаточно велика, безусловно следует предпочесть
вакуумные фотоэлементы, обладающие большой стабильностью.
Сурьмяно-цезиевые фотоэлементы. Фотоэлементы с сурьмяно-
цезиевыми (Sb — Cs) фотокатодами в последнее время получили
весьма широкое распространение. Вся спектральная чувствитель-
ность такого фотоэлемента лежит в видимой области спектра
с максимумом около 4400 А. Отсутствие термоионного тока и
усталости, что обычно наблюдается у большинства других фото-
элементов, позволяет изменять чувствительность их (по отдаваемой
397
мощности) в очень широких пределах, изменяя подаваемое на
них внешнее напряжение. Необходимо также отметить однород-
ность фоточувствительности на отдельных участках восприни-
мающей поверхности. Чувствительность их превосходит все
другие виды фотоэлементов с внешним фотоэффектом и достигает
100 уА на люмен. Эти фотоэлементы, кроме того, допускают
подобно другим фотоэлементам газовое усиление. Подробнее
о них будет сказано ниже.
Фотоэлементы с запорным слоем. Фотоэлементы с запорным
слоем, называемые „вентильными", дающие фотоэлектродвижущую
силу, состоят обычно из тонкого металлического диска, покрытого
слоем светочувствительного материала, обычно серой модифика-
цией селена, с нанесенным на его поверхность тончайшим про-
зрачным золотым или платиновым электродом. Диск бывает за-
ключен в оправу со стеклом, защищающим его от влияния
влажности, снабженную двумя зажимами. В некоторых фотоэле-
ментах зажимы заменяют штырьками.
На рис. 3 изображена зависимость между силой фототока
Рис. 3. Характеристики вентильного селенового фотоэлемента в зависимости
от освещенности при различных внешних сопротивлениях (источник света
вольфрамовая нить при 3000° К).
и световым потоком для среднего типичного образца селеновых
фотоэлементов (например, производства мастерских Ленинград-
ского Агрофизического института) при различных внешних
сопротивлениях.
Так называемый ток короткого замыкания, получаемый при ос-
вещении фотоэлемента, всегда должен быть строго пропорцио-
нален освещенности. Фототок обычно делится между внешним
сопротивлением и утечкой внутри элемента. Сопротивление не
освещенного фотоэлемента бывает равно примерно 7000 ом. При
398
увеличении освещения оно быстро падает (Л. X, 53), что обусло-
вливает отступление о г линейной зависимости фототока от осве-
щения даже при относительно малых сопротивлениях во внешней
цепи (рис. 3.) С электроизмерительным прибором, имеющим малое
сопротивление, фототок возрастает практически линейно до ве-
личины в 120 микроампер на люмен при вольфрамовой лампе
накаливания с цветовой температурой Т—3000' К.
Кривая спектральной чувствительности селенового фотоэле-
мента и кривая чувствительности глаза изображены на рис. 4.
При употреблении подходящего светофильтра кривая чувст-
вительности селенового фотоэлемента может быть доведена почти
до полного совпадения с кривой человеческого глаза. Такие све-
тофильтры иногда подбирают и продают на заводах, изготовля-
ющих селеновые фотоэлементы. Они были неоднократно описаны
как в русской, так и в иностранной литературе. При пользовании
Ультрафиолетоб \ \Синий | Зеленый [ Я/?ссныи |
Фиолетоб Mpnmuii
Рис. 4. Спектральная чувствительность вентильного селенового
фотоэлемента 1 и сравнение ее с кривой чувствительности
нормального глаза 2, сквозь кварц 3 и сквозь стекло 4.
чувствительным гальванометром (малоомным) фотоэлементы с фо-
тоэлектродвижущей силой дают устойчивые и воспроизводимые
измерения. Если селеновый фотоэлемент присоединен к зеркаль-
ному гальванометру, имеющему чувствительность по току
2Х10'1' ампер мм, то минимальное 1 мм отклонение будет соот-
ветствовать 1,7 X10-6 люменов. Светочувствительная площадь
в селеновых фотоэлементах обычно бывает равна примерно 10 см-.
На основании этих данных можно подсчитать, что 1 мм отклоне-
ния соответствует количеству света, получаемому фотоэлементом
от международной свечи на расстоянии 25—26 м. Небольшой
399-
выигрыш можно получить при работе с более чувствительным
гальванометром, но это не рекомендуется делать, так как чувстви-
тельность в этом случае будет доведена уже до крайнего предела,
тем более, что гораздо меньшие количества света с большим
удобством могут быть измерены при помощи вакуумного фото-
элемента с усилителем.
Применять усилитель для селенового фотоэлемента нецелесооб-
разно, вследствие его низкой чувствительности по напряжению
(Л. X, 65). Чувствительность же такого фотоэлемента к модули-
рованному свету быстро падает с увеличением частоты модуляции,
вследствие большой емкости (0,5 pF). На этом основании селеновый
фотоэлемент не следует применять для воспроизведения звука.
Зато у него весьма велика чувствительность по мощности, и чув-
ствительное гальванометрическое реле, будучи к нему присоеди-
нено, может работать при условии изменений освещенности,
начиная с 0,2 и больше люмена. Таким образом, во многих случаях
для автоматического контроля механизмов, в которых требуются
только сигналы появления и исчезновения, этот тип фотоэлемента
наиболее удобен и прост. Фотоэлементы, дающие электродви-
жущую силу, в лабораториях рекомендуется применять для из-
мерительных целей при наличии достаточной освещенности; эти
фотоэлементы обладают простотой и компактностью, в них от-
сутствует внешняя батарея, что естественно уменьшает возмож-
ные причины погрешностей и экономит время.
Новые типы фотоэлементов
За последние годы перед войной разработка фотоэлементов
в СССР достигла значительных успехов, опередив в этом отно-
шении заграничную технику. Новые типы фотоэлементов получили
уже признание и распространение во всех лабораториях Совет-
ского Союза, и перед нашими экспериментаторами открылись
широкие возможности уточнения и ускорения исследовательской
работы.
Преимущества новых приборов ясно видны из сопоставления
данных таблицы, помещенной ниже. В этой таблице приводятся
средние численные значения, характеризующие квантовый выход
фототока в процентах; длины волн, соответствующие: 1) максиму-
мам чувствительности и 2) красной границе; интегральная чув-
ствительность в микроамперах на люкс света лампы накаливания
при нормальной цветовой температуре 2870° К и указаны типы
фотоэлементов. Для сравнения приведены данные некоторых
фотоэлементов старых типов.
Таблица на стр. 401 показывает, насколько параметры фото-
элементов разных типов отличаются между собой, и подчеркивает,
что каждый тип должен иметь свою область применения, где его
особенности должны дать максимальный эффект.
1) Сурьм ян о-ц езиевый фотоэлемент с внешним фо-
400
тоэффектом разработан Прилежаевым и Душевой. Катод этого
фотоэлемента состоит из тонкой пленки SbCs2, покрытой адсор-
бированным слоем цезия, который придает определенную ориен-
тировку атомам поверхностного слоя, что, с одной стороны, по-
вышает поглощение света с длиной волны, близкой к 0,4 — 0,5'/-,
Таблица 2
Таблица параметров новых типов фотоэлементов1
Название фотоэлемента Кван- товый выход Интег- ральная чувстви- тельность pA/L Красная граница Хв А Максимум чувствитель- ности при А в А Тип
Сурьмяно-цезиевый (Sb—Cs) 25-33 100 8000 4400 вакуумный
Кислородно-цезиевый (Cs-0-Ag) . . 39 30-40 2000-11000 8000 вакуумный
Серно-калиевый (K-S-Ag).... 2 3 7000 4200 вакуумный
Селеновый (Au —S 31 400—500 8000 5600 вентильный
Серно-таллиевый . . Зу 5000 11000 9600 вентильный
Серно-серебряный (S-Ag) 39 3500 15000 11000 вентильный.
Талофид 40 6000 11000 10000 фотосопро-
Фотодинатрон , . . — 400 8000 4400 тивление однокаскад-
ное вторич- ное усиле- ние
а с другой — понижает работу вылета электрона. Этим обуслов-
ливается и значительный квантовый выход и большая интеграль-
ная чувствительность этого катода. Простота изготовления
и устойчивость параметров вызвали исключительно быстрое его
распространение и внедрение в массовое производство. В настоя-
щее время фотоэлементы с сурьмяно-цезиевыми катодами изго-
товляют на ряде советских заводов как вакуумные, так и газо-
наполненные под названием СЦВ и СЦГ. Наибольшим распро-
странением пользуются фотоэлементы, представляющие собой
круглые стеклянные баллончики диаметром примерно в 30 мм
с двумя цилиндрическими ножками, закрытыми металлическими
колпачками, расположенными с противоположных сторон по оси
баллончика и служащими вводами электродов. Эта стандартная
миниатюрная форма очень удобна для монтажа и обеспечивает
минимальную утечку по стеклу.
Форма кривой чувствительности очень близка к кривой чув-
1 В настоящее время эти данные уже требуют дополнений. Прин. ред.
-6 Стронг 4^ ।
ствительнос ги человеческого глаза и допускает простую коррекцию
светофильтрами для достижения почти точного совпадения с ней.
Хотя приобретение готовых сурьмяно-цезиевых фотоэлементов
не представляет затруднений, все же полезно освоить довольно
простую методику их изготовления в лаборатории, поскольку
фотокатод этого типа может быть применен в ряде приборов
для различных экспериментальных работ. На катод, на подложку
из серебра или из другого металла методом конденсации наносят
тонкий слой сурьмы из небольшой печки, нагреваемой током,
а затем методом восстановления (алюминотермией) получают пары
цезия, которые конденсируются на слое сурьмы и стенках бал-
лона. Для получения цезия обычно пользуются небольшим ко-
личеством хлористого цезия, смешанного в соответствующей про-
порции с порошком магния или кальция. При разогревании смеси,
помещенной в металлической (никелевой) трубочке в особом от-
ростке, припаянном к баллончику, током высокой частоты цезий
восстанавливается, пары его заполняют весь баллон, а тугоплавкие
продукты реакции остаются в отростке и вместе с ним отпаиваются.
Затем, для того чтобы цезий вступил в соединение с сурьмой,
баллон нагревают, а избыток цезия абсорбируют каким-либо аб-
сорбентом, обеспечив, однако, наличие тончайшего слоя цезия
на поверхности катода. Это легко достигается автоматическим
подбором теплового режима и требует лишь небольшого навыка.
Для увеличения чувствительности баллон наполняют аргоном,
подбирая его давление так, чтобы интегральная чувствительность
возросла в 6—7 раз и достигла 500 у-А на люмен.
2) С е р н о-к а л и е в ы й фотоэлемент с внешним фо-
тоэффектом. Катод этого фотоэлемента состоит из серебря-
ной подложки, на которую, при помощи возгонки, наносят тон-
чайший слой серы и калия. Он допускает газовое усиление,
обеспечивающее чувствительность до 50 уА на люмен. У нас,
в СССР, этот фотоэлемент полностью вытеснил все остальные
типы калиевых катодов (водородно-калиевые, кислородно-калие-
вые и др.). Он изготовлялся на заводах, но в последнее время
сам уступил место другим, более совершенным типам. Теперь
производство серно-калиевых фотоэлементов почти прекращено.
3) Серно-таллиевый фотоэлемент вентильного
типа разработан в Ленинградском Физико-техническом институте
инж. Б. Т. Каломийцем под руководством акад. А. Ф. Иоффе.
Он напоминает вентильный селеновый фотоэлемент и состоит из
тонкого слоя сернистого таллия на металлической подложке, на
который путем испарения в вакууме (см. выше) нанесен полу-
прозрачный электрод из платины или золота. При различной
термической обработке сернистый таллий приобретает „дырчатую"
или „электронную" проводимость и может образовать на наруж-
ной поверхности запорный слой, необходимый для получения
вентильного действия (униполярной проводимости) и появления
фотоэлектродвижущей силы, достигающей нескольких милли-
402
вольтов при освещенности в 1 люкс. Внутреннее сопротивление
такого фотоэлемента невелико — порядка нескольких тысяч омов
на квадратный сантиметр освещенной площади, что и обусловли-
вает громадную интегральную чувствительность по току, превос-
ходящую в 10 раз чувствительность селеновых вентильных эле-
ментов. Надо, однако, обратить внимание, что внешний полу-
прозрачный электрод и подложка представляют собою конденсатор,
шунтирующий фотоэлемент и снижающий отдачу его при работе
с быстропеременным освещением (например, в световом телефоне
или звуковом кино). В этом отношении он совершенно подобен
селеновому вентильному элементу.
Серно-таллиевый фотоэлемент применяется главным образом
в объективной фотометрии, в ближней инфракрасной области
спектра и в сигнализационных устройствах на инфракрасных
лучах. Следует отметить большой температурный коэфициент
этого фотоэлемента.
4) Серно-серебряный фотоэлемент вентильного
типа разработан инж. Гейхманом и Сорока в Физическом ин-
ституте Украинской Академии наук под руководством проф.
Лошкарева. Подобно серно-таллиевому, он действует по схеме
селенового фотоэлемента и обладает большим емкостным эффек-
том (шунтирующая емкость достигает 1000—3000 ypF на квад-
ратный сантиметр площади). Однако по сравнению с серно-талли-
евым серно-серебряный фотоэлемент более устойчив и по надеж-
ности своей работы не уступает, а, вероятно, даже превосходит
селеновые фотоэлементы.
Особенностью этого фотоэлемента является его исключитель-
ная чувствительность по отношению к инфракрасному свету. Из
его интегральной чувствительности, при нормальной цветовой
температуре освещения, почти 2,3 ее приходится на долю инфра-
красного и лишь V3 на долю видимого участка спектра. Дру-
гим, очень ценным его свойством является исключительная
широта полосы чувствительности, простирающаяся от далекой
ультрафиолетовой области спектра до длины волны в 1,5 и, что
делает его незаменимым для целого ряда работ по объективной
спектрофотометрии. Интегральная чувствительность серно-сереб-
ряного фотоэлемента несколько ниже, чем у серно-таллиевого-
При коротком замыкании он дает до 3000—3500 у-А на люмен
и развивает при 2 люксах электродвижущую силу до 60 милли-
вольт. (Отдельные образцы значительно отличаются друг от друга.)
5) Т а л о ф и д ы, или с е р н о-т а л л и е в ы е ф о т о с о проти-
вления, основаны на внутреннем фотоэффекте, вызывающем под
влиянием даже самого слабого освещения стремительное падение
(в несколько раз) электрического сопротивления тонкого слоя,
состоящего из серы, таллия и кислорода, расположенного на изо-
лирующей подложке между двумя платиновыми электродами.
~ти фотосопротивления были предложены Кэзом (США); во
Франции их разрабатывал Фурнье д’Альб и довольно подробно
26* 403.
исследовал Дю-Буа(„Журналь де Физик“).Болыпих успехов в иссле^
довании и в технологии их изготовления достиг инж. О. И. Куп-
чинский. Технология их изготовления оказалась исключительно
трудной, если требуется получить прибор, обладающий хоро-
шей устойчивостью в работе. Они обладают „усталостью", инер-
ционностью и громадным отрицательным температурным коэфици-
•ентом сопротивления. Несмотря на все эти недостатки, исключи-
тельная чувствительность этих фотосопротивлений, далеко превос-
ходящая чувстьительность всех остальных индикаторов для слабых
освещенностей, делает их для ряда работ совершенно незамени-
мыми. В частности, при помощи их удается изучать тонкую
структуру спектральных линий в ближней инфракрасной области.
Освещаемая поверхность таллиевых фотосопротивлений обычно
имеет вид квадрата размером 5X5 мм, но иногда ее делают
и меньше (3x3 или 1X5 мм). Темновое сопротивление их может
быть получено от 0,5 мегома до десятков, сотен и даже тысяч
мегомов, при чем с возрастанием сопротивления возрастает и их
чувствительность, измеряемая отношением Rm темнового к Rc при
освещении (в четыре люкса при цветовой температуре в 2870 К
за фильтром из стекла СК-10 толщиной в 2 мм). Это отношение
при высоких сопротивлениях может достигать иногда значения
60 и более. При малых сопротивлениях оно значительно ниже
(1,5—2 раза). Обычно стараются подбирать фотосопротивления
средней величины, порядка 5—20 мегомов, потому что это об-
легчает их присоединение к ламповым усилительным схемам. Такие
присоединения проще всего сделать последовательно, с отдельной
батареей на 10—20 вольт, питающей фотосопротивление, и с со-
противлением на входе в усилитель (в цепи сетки первой усили-
тельной лампы), которое бывает порядка 4—10 мегомов. Для неко-
торых целей выюднее применять более сложные схемы мостиков.
Чувствительность всей установки ограничивается так назы-
ваемым „шумом" фотосопротивления, который ставит предел
степени усиления. Прогресс технологии изготовления фогосопро-
тивлений в сущности сводится к дальнейшему снижению этого
шума и к расширению области их спектральной чувствительности.
Необходимо отметить, что таллиевые фотосопротивления обла-
дают указанной исключительной чувствительностью только при
самых слабых освещенностях (порядка долей люкса). С повыше-
нием освещенности чувствительность падает, и уже при нескольких
.люксах (в зависимости от образцов) дальнейшее возрастание
освещенности делается незаметным.
6) Фотодинатрон. Газовое усиление фототока, как это
подробно было изложено выше, искажает характеристику фото-
элементов с внешним фотоэффектом и делает ее нелинейной.
Возможно, однако, в самом баллоне фотоэлемента создать такие
условия усиления, при которых будет сохраняться пропорцио-
нальность между падающим на фотоэлемент светом и током,
который он дает, если воспользоваться вторичной электронной
404
эмиссией (динатронным эффектом) с вспомогательного (вторич-
ного) катода. Простейший тип и при том наиболее ценный для
лабораторной практики и измерительных целей представляет
однокаскадный фотоэлемент проф. П. В. Тимофеева, состоящий
из сферического баллона, внутри которого на боковой части его
стенки находится широкий кислородно-цезиевый первичный
катод в форме чаши, а на противоположной стенке помещен
вторичный катод, имеющий форму небольшого пятна. Посредине
баллона, несколько эксцентрично в сторону вторичного катода,
располагается анод в форме небольшого
колечка. Фотоэлектроны с первичного
катода под влиянием электростатиче-
ского поля летят к вторичному катоду
и выбивают из него вторичные электро-
ны, которые собираются на аноде.
вторичной электронной
эмиссии з = -—-- зависит от скорости
'перЕ.
электронов и качества поверхности вто-
ричного катода. Если поверхность эта
обработана так же, как и поверхность
первичного катода, и на электродах
будут подобраны надлежащие разности
потенциалов (первичный катод 0, анод
—600—800, вторичный катод -j-150—
250 вольт), то з может достигать значе-
ний 4, 5 и даже больше. Измерительный
прибор включается в цепь анода: он
может иметь очень высокое сопротив-
ление и отбирать от фотоэлемента значи-
тельную мощность. По мощности это,
невидимому, самый выгодный тип фото-
элемента. Его устройство и схема вклю-
чения изображены на рисунке 5.
Следует отметить, что однокаскадный
фотодинатрон по быстроте срабатывания почти не уступает
обычному вакуумному фотоэлементу, т. е. практически является
безинерционным, а поэтому он особенно удобен для регистрации
слабых быстропеременных освещенностей с помощью катодного
осциллографа.
^Очевидно, что вторичные электроны можно направить на тре-
тий катод и т. д., т. е. создать многокаскадный фотоэлемент,
У которого окончательное усиление будет равно:
Коэфициент
где п — число каскадов. Таким образом, усиление может дости-
I ать десятков тысяч.
405
В СССР многокаскадные фотодинатроны разработаны инж.
Кубецким, проф. П. В. Тимофеевым, инж. С. А. ВекшинскиМ
и др. За границей они также получили значительное распростра-
нение, однако в лабораторной практике их применение крайне
ограничено, и они едва ли заслуживают предпочтения перед
другими приборами аналогичного назначения. Усложнение схемы
питания и резко выраженные флуктуации обусловливают резкое
снижение точности измерений при увеличении числа каскадов.
Усиление фотоэлектрических токов
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом могут работать не-
посредственно с гальванометром почти до тех пределов интен-
сивности света, что и фотоэлементы с фотоэлектродвижутей
силой. Для более слабых источников света необходимы другие,
более чувствительные измеряющие ток устройства. Очень удобны
электрометры различных типов, которые в некоторых случаях
будут безусловно наиболее совершенными измерительными при-
борами. Особенно пригоден новый электрометр «Линдемана. По-
следний, видоизмененный Ценко-Дирчем, отличается легким весом
и компактностью.
В последнее время все чаще и чаще применяют метод уси-
ления малых фототоков до величин, удобных для отсчета по
хорошему стрелочному гальванометру (I класса точности). Преи-
мущества метода усиления заключаются в следующем: 1) ток
такой силы, который электрометром обычно должен измертться
методом стекания заряда, может быть измерен путем непосред-
ственного отсчета, что гораздо удобнее; 2) усилитель по сравне-
нию с электрометром является более простым и прочным при-
бором; его, кроме того, можно переносить. Но для точного
измерения самых слабых фототоков электрометр Гофмана,
вероятно, все же следует считать наиболее удобным прибором.
В случае фототоков, быстро меняющихся со временем, изме-
нения их могут быть легко усилены во много тысяч раз много-
каскадным усилителем переменного тока. Благодаря широкому
применению в радио, телефонии и звуковом кино техника изме-
рения переменных фототоков достигла высокого совершенства.
В лаборатории же обычно возникает необходимость измерять
фототоки от постоянных источников света. Следовательно, не-
обходимо иметь усилители постоянного тока-
Усилители постоянного тока. Основная схема однолампового
усилителя постоянного тока изображена на рис. b Л. Фототок
проходит по сопротивлению /?0 и создает падение напряжения, ко-
торое изменяет потенциал на сетке электронной лампы. В резуль-
тате получается изменение анодного тока, определяемое но
отклонению гальванометра. Обычно анодный ток электронной
лампы при этом компенсируется током в сопротивлении Q
406
так, чтобы при отсутствии освещения гальванометр показывал
нуль. Так как обычно Rr подбирается примерно раз в 50 больше,
чем сопротивления гальванометра, то гальванометр будет пока-
зывать почти все изменения анодного тока. Если Zo—фототок,
ток гальванометра, то ix = Zo Rogт, где ^ — средняя про-
Рис. 6. Усилитель постоянного тока для фотоэлементов (Л) и характеристики
анодного и сеточного токов американской электрометрической лампы D-95475 (В).
Сеточный ток дан в масштабе 10~1а ампера.
водимость лампы (крутизна статической анодно-сеточной харак-
теристики обозначается часто SG). Эту величину более правильно
было бы назвать проводимостью сетка — анод. Значение ее
по
равно отношению gm = , где ip — анодный ток и eg — на-
пряжение на сетке. Для того чтобы получить наибольшее уенле-
407
ние фототока, необходимо /?0 сделать возможно большим. Но
увеличивать до беспредельности, конечно, бесполезно, так-
как оно шунтируется сопротивлением участка сетка — нить самой
лампы. В большинстве электронных ламп, употребляемых в ра-
диосхемах, это сопротивление не превышает 108 ом. Колебания
(флуктуации) в обычных электронных лампах таковы, что при-
менять гальванометры с чувствительностью выше 10~8 ампера на
миллиметр нет смысла. Такая схема дает нижний предел изме-
ряемого фототока порядка 10“12 ампера. Сравнительно малая вели-
чина сопротивления между сеткой и волоском обычной элек-
тронной лампы обусловливается не столько плохой изоляцией,
сколько сеточным током и зарядами, получаемыми сеткой
с волоска.
Любое изменение сеточного тока и напряжения вызывают
изменение проводимости между сеткой — волоском. Меткаф и Томп-
сон (Л. X, 39) произвели систематическое исследование источ-
ников сеточных токов и методов для их исключения. В резуль-
тате этого ими была разработана для усиления малых постоянных
токов новая лампа FP-54. Она изготовляется в США фирмой
„Дженерал электрик компани". „Вестерн электрик компани“
тоже изготовляет подобную же лампу под маркой D-96475.
Эти лампы имеют сетку, экранирующую объемные заряды, защи-
щающую управляющую сетку от положительных ионов, собираю-
щихся у катода. Эти так называемые электроизмерительные
лампы работают при очень малом анодном напряжении, чтобы
избежать ионизации остатков газа.
Часто эти лампы называют электрометрическими, так как они
заменяют электрометр. У них сопротивление сетка — нить прибли-
зительно равно 1016 ом. Данные для этих ламп сведены в табл. 3.
Таблица 3
Рекомендуемые рабочие условия и некоторые другие существенные
данные для двух марок электрометрических ламп
Напряжение накала Ток накала Напряжение сетки пространственного заряда . . . Анодное напряжение Рабочее напряжение управляющей сетки Входное сопротивление Рабочий ток сетки Анодный ток Анодное сопротивление Общая проводимость (крутизна Sc ) FP-54 2,5 в 0.09 А 4 в 6 в 4 в 1016 ом 10-Г’А 60 рА 45 000 ом 20 и А. в D-96475 1в 0,27 А 4в 4в Зв ом Ю-15А 85 рА 25000 ом 40 [j-A/b
-108
На рис. б В изображены характеристики, представляющие
анодные и сеточный токи лампы D-96475. Наклон кривой
сеточного тока дает проводимость между сеткой и нитью,
а величина, обратная наклону,— сопротивление сетка — нить. Управ-
ляющая сетка работает при—3 вольтах, так как около этой точки
характеристика представляет горизонтальную прямую линию.
Наклон кривой анодной характеристики дает обычную среднюю
статическую проводимость лампы. Кривизна характеристики анод-
ного тока явно заметна и вполне достаточна для того, чтобы
обнаружить нелинейность отсчета при изменении напряжения на
сетке в пределах даже 0,1 вольта; эти изменения в большинстве
случаев бывают значительно больше.
На рис. 7 представлены с исчерпывающей полнотой все данные
для сборки простой схемы с электрометрической лампой D-96475,
предназначенной для измерения слабых фототоков. Этой схемой
можно перекрыть огромную область измерения фототоков
посредством подбора сопротивлений /?() и изменения шунтов
гальванометра. Градуировочная схема в цепи рабочей сетки
предусматривает возможность проверки в процессе измерений
Рис. 7. Схема усиления фототоков с лампой D-9C475.
Напряжение на лампы подается от двух аккумуляторных Сага-
рей по 6 вольт каждая.
= 10* — 10” 2; Hi = 2-Ю4 2; К2 = 10 2 (потенциометр);
В3 = 100 2;
Н, ='400 9 (потенциометр);
Н5 = 500 2;
= 6 2;
Е = 1,5 вольта (сухой элемент).
чувствительности установки, которая оказывается порядка
100000 мм на вольт при употреблении зеркального гальвано-
метра с чувствительностью в 4 X 10'10 ампер/мм. Постоянством
и устойчивостью анодного тока в этой схеме также полностью
469
определяется наименьшая величина измеряемого фототока. Me i-
ленное сползание нуля гальванометра не вызывает большого
уменьшения точности измерений, если оно остается постоянным
в течение одного наблюдения, так как оно может быть учтено, если
всякий раз брать новый нуль для каждого отсчета. В некоторых
случаях применения электрометрических ламп, например для
счета числа а-частиц, когда требуется непрерывная регистрация
тока в течение долгого времени, необходимо обеспечить доста-
точную устойчивость нуля. В некоторых других случаях также
бывает необходимо довести сползание нуля до возможно мень-
шей величины. С другой стороны, случайные отклонения (флук-
туации) нуля лимитируют полезную чувствительность усилителя.
Эти флуктуации могут происходить вследствие внешних причин,
например механических вибраций установки, плохой изоляции,
плохих контактов, блуждающих электрических и магнитных
полей или же случайными атмосферными ионами, осаждающимися
из воздуха на сеточном проводе. Все эти помехи можно устра-
нить с помощью надлежащих предупредительных мер. Неизбеж-
ными и неустранимыми остаются внутренние флуктуации, появ-
ляющиеся в цепи сетки в результате изменения эмиссии накала,
эффекта Шотки и эффекта Джонсона (тепловой шум). Практика
показала, что неравномерность эмиссии с катода менее важна,
чем остальные два источника флуктуации. Количественную
оценку этих помех сделаем в следующем разделе.
В противоположность высказываниям, опубликованным
в литературе, небольшие изменения напряжения батарей не
являются причиной, лимитирующей точность в такой простой
схеме, как изображенная на рис. 7. Устойчивость нуля определяется
главным образом цепью сетки, на что указывает и тот факт,
что нуль всегда оказывается более спокойным при закороченном
Rg. Влияния флуктуации эмиссии катода при этом падают,
а флуктуации напряжения батарей остаются неизменными. Для то-
го чтобы оценить влияние только одного колебания напряжении
батареи, можно электронную лампу заменить двумя эквивалент-
ными сопротивлениями равными сопротивлению волоска и стати-
ческому сопротивлению анод—катод. Гальванометр тогда должен
быть совершенно устойчивым, за исключением возможного весьма
медленного равномерного смещения нуля, показывающего, что
внезапного изменения напряжения в батарее нет, а если оно и
есть, то такой величины, что не сказывается на стабильности.
Одна из причин смещения нуля — это колебания температуры,
которые изменяют и напряжение батареи и сопротивления раз-
личных участков схемы. Если температура постоянна, гальвано-
метр в схеме, изображенной на рис. 7, показывает ничтожное
и равномерное смещение в направлении уменьшения анодного
тока. Это получается главным образом вследствие уменьшения
тока накала под влиянием разряда батареи. Увеличение мощно-
сти батареи накала уменьшает это смещение, отсюда батареи
410
следует составлять из нескольких включенных в параллель
элементов (рис. 7). Можно считать равновесие достигнутым,
как только величина смещения нуля стала меньше 1 мм,'мин.
при чувствительности 100000 мм вольт. Для большинства лабора-
торных измерений такое смещение не вызывает существенных
помех.
Наиболее простой метод контроля смещения нуля —это
введение противосмещения, величину которого можно подбирать.
Хэфстэд (Л. X, 15) помещал компенсирующий элемент в цепь
накала и заставлял его ток протекать по переменному сопротивле-
нию. Если компенсацию ввести в анодную цепь, то потребуется
элемент малой мощности. Такое устройство, подобно описанному
Бирдином (Л. X, 2), изображено на рис. 8. Часть того напряжения,
которое компенсирует анодный ток лампы, получается от эле-
мента Elt разряжающегося через сопротивление /?7. Сила раз-
рядного тока подбирается так, чтобы весь вольтаж, необходимый
для балансирования, получался за счет элемента Еь и сполза-
Рис. 8. Компенсация сползания нуля путем создания управ-
ляемого смещения нуля в анодной цепи. Величины сопротив-
лений те же, что и для рис. 7. (Сопротивление /?7 зависит
от емкости элемента £,).
ние нуля осуществлялось бы в сторону возрастания анодного
тока. Тогда, подбирая величину этого вольтажа, получаемого
от нагруженного в большей или меньшей степени элемента Е},
можно скомпенсировать обычное смещение нуля, вызванное
уменьшением анодного тока. Преимущество этого метода заклю-
чается в том, что компенсация может быть достигнута очень
быстро без каких-либо изменений в схеме, что требует, как
известно, некоторого времени для установления в схеме равно-
весного состояния. В качестве элемента Е{ следует взять сухой
элемент или щелочной аккумулятор. В случаях, когда лампа
должна работать непрерывно в течение долгого времени, элемент
можно выключить и разрядное сопротивлениеприсоединить
4П
к последнему элементу анодной батареи. Смещение нуля можно
тогда регулировать изменением разрядного тока этого элемента.
Предложено много схем для того, чтобы сделать анодный
ток электронной лампы не зависящим от небольших изменении
анодного напряжения. Самыми старыми являются двухламповые
схемы (Л. X, 8, 67), требующие подбора двух ламп с двумя совер-
шенно одинаковыми характеристиками, которые обычно получить
очень трудно. В последнее время стали применять уравновешенные
схемы с одной лампой, работающей вместе со специально подо-
бранной системой сопротивлений. Во многих лабораториях успешно
применялась одноламповая схема, предложенная Дю Бриджем
и Броуном (Л. Х,9). Схема эта изображена на рис. 9. Ее можно
рассматривать как видоизменение мостика Уитстона, при чем Rx
и /?2 образуют два плеча, а сопротивления анод —нить и нить —
экранная сетка образуют два других плеча.
Рис. 9. Сбалансированная схема по Дю Бриджу и Броуну для
лампы FP-54 (американской).
Сопротивление можно рассматривать как часть сопроти-
вления лампы. Очевидно, что условие для исчезновения тока
в гальванометре имеет вид:
Для того чтобы это условие было соблюдено, когда по какой-
либо причине изменяется напряжение батареи или эмиссия накала,
необходимо, чтобы сверх того:
= dls
dif R, ' dif •
Для того чтобы оба эти условия были удовлетворены, необходимо
чтобы характеристики 1р в функции If и / в функции If были
прямыми линиями, пересекающимися в общей точке на оси /г
Конечно, ни одна лампа не имеет такой характеристик, но в не-
большой области касательные линии к кривым 1р и /$ могут
иногда удовлетворять этим условиям, а тогда и сопротивления
412
в схеме можно подобрать так, чтобы обеспечить в то же время
необходимую силу тока накала.
Сопротивление /?8 должно обеспечить на своих концах паде-
ние напряжения в 2 вольта, так как напряжение на сетке, экра-
нирующей объемный заряд в лампе FP-54, равно 4 вольтам
при анодном напряжении 6 вольт. Для лампы D-96475 в этом
сопротивлении надобности совсем нет, так как эта лампа может
работать при напряжении в 4 вольта как на аноде, так и на сетке
объемного заряда. Для типичной схемы с лампой гР-54 можно
указать следующие размеры сопротивлений: /?(; — 45 ом, /?н =
==4000 ом, R., = 2000 ом и R{ = 10000 ом с добавочным реостатом
R = 50 ом для тонкой регулировки. Сопротивление R± удобнее
взять в виде потенциометра с сопротивлением в 50 ом. Процесс
уравновешивания схемы рекомендуется следующий: гальванометр
шунтируется до 0,1 или лучше до 0,01 его полной чувствитель-
ности; Ri подбирается так, чтобы гальванометр давал нулевой
отсчет при If равным примерно его величине, установленной
расчетом, затем If медленно изменяют посредством реостата /?-.
Отклонения гальванометра будут проходить через максимальное
значение для некоторой величины If, если гальванометр присо-
единить так, чтобы уменьшение анодного тока вызывало поло-
жительное отклонение. Когда отклонение гальванометра, идя по
шкале к своему максимуму, почти приближается к нему, галь-
ванометр можно вернуть к нулю, изменяя /?Р Когда величина //,
дающая максимум отклонения, окажется в пределах нескольких
процентов от той величины, которая установлена для лампы по
расчету, то точку равновесия можно получить при различных
величинах If подбором /?4 и Rx. Тогда производится окончательная
регулировка схемы с гальванометром при полной его чувствитель-
ности. Каждый новый подбор сопротивлений требует нескольких
минут ожидания для установления нового теплового равновесия.
Преимущество этой остроумной схемы заключается в том, что
любое изменение эмиссии катода благодаря изменению напря-
жения батареи накала или старению катода компенсируется
автоматически. Балансируются даже коротко-периодные флукту-
ации эмиссии катода, а стабильность при закороченном /?0 оказы-
вается лучшей по сравнению со схемой рис. 7.
Некоторые экспериментаторы испытывали затруднения при
Достижении условий равновесия вследствие различия характе-
ристик отдельных образцов ламп. Пеник (Л. X, 48) дал полный
анализ сбалансированных схем и в частности схем с электро-
метренной лампой D-96475. Он предлагает видоизменение схемы
Дю Бридж — Броуна, которое заключается в том, что провода
анода к сетке объемного заряда присоединяют к разным точкам
на сопротивлении /?4- Проще всего это сделать, взяв два от-
дельных потенциометра, включенные параллельно. Это нововведе-
ние добавляет новый элемент гибкости в схеме и дает возможность
скорее добиться необходимых условий работы для ламп с различ-
413
ними характеристиками. Однако в элем рометренных лампах ино-
гда бывают значительные индивидуальные особенности, и с неко-
торыми лампами нельзя добиться равновесия с величинами, при-
емлемыми для других элементов схем.
Наилучший тип схемы для любых специальных целей всегда
может быть подобран путем соответствующих изменений в обыч-
ных измерительных схемах.
Получаемый при этом предел чувствительности примерно
одинаков для всех видов схем. Автоматически балансирующиеся
схемы заслуживают предпочтения, когда они употребляются лишь
время от времени, с перерывами, так как требуют меньше времени
для достаточного прогрева. Простая схема без компенсации
требует обычно нескольких часов для достижения установи-
вшегося режима и полного прогрева.
В измерениях, когда схема должна выполнять две задачи —
получение постоянных прямых отсчетов и определение изменений
отклонения, — балансная схема может оказаться слишком сложной
потому, что в ней всякий раз, когда изменяется смещение управ-
ляющей сетки, для того чтобы найти новый потенциал равно-
весия, схема должна быть вновь полностью сбалансирована. Для
того чтобы получить наилучшую чувствительность при методе
получения одного отсчета, сопротивление /?с должно быть очень
велико. Если оно много больше, чем 1011 ом, то постоянная
времени входной цепи становится очень большой и приходится
долго ждать, пока отклонение не достигнет своей конечной вели-
чины. Самая высокая чувствительность как с электронной лампой,
так и с электрометром получается при методе определения
скорости стекания заряда. Для этого анод фотоэлемента (или
любой другой источник подлежащего измерению постоянного
тока) присоединяют прямо к управляющей сетке лампы без всякого
сопротивления утечки. Для заземления сетки необходим выклю-
чатель с высокой изоляцией и не дающий контактной разности
потенциалов. Когда лампа работает по методу определения изме-
нения напряжения на управляющей сетке, сеточный ток бывает
равен приблизительно 10-1>амп. Если сетка „начинает сползать"—
при разорванном заземляющем выключателе, — это значит, что она
пропускает этот ток, и показание прибора смещается в направле-
нии меныпего отрицательного потенциала сеткп.
Для того чтобы устранить это смещение, необходимо так
подобрать сеточное смещение, чтобы положительная и отрица-
тельная составляющие сеточного тока (ионная и электронная)
были равны, а сеточного тока не было вовсе бы. Когда работают
так называемым „уравновешенным потенциалом", сеточное сопро-
тивление, как показывает наклон нижней характеристики на рис. 6,
значительно уменьшается, но все еще остается велико (1014 ом)
и вполне достаточно для применения метода определения скорости
стекания заряда.
Равновесный потенциал находится посредством наблюдения
414
сползания отсчета при разомкнутом ключе для различных началь-
ных величин потенциала управляющей сетки, пока не удастся
подобрать такую величину, когда сползание отсчета станет равно
нулю. Гальванометр после каждого изменения в сеточном сме-
щении должен приводиться на нуль посредством изменения сопро-
тивления в цепи анода. Таким образом, процедура измерения
весьма малых фототоков заключается в наблюдении скорости
сползания отсчета при освещении фотоэлемента в ту или другую
сторону. Это можно всего проще сделать путем измерения рас-
стояния, которое проходит по шкале зайчик в определенный
заданный промежуток времени, но более точные результаты полу-
чаются, если отклонения гальванометра непрерывно регистриро-
вать фотографически. Наклон кривой, выражающей сползание
зайчика в единицу времени, тогда будет определяться не путем
получения отсчета только в двух случайно взятых точках ее.
Надо помнить, что во всех измерениях, вследствие случайных
флуктуаций, имеется предел точности наблюдений, и наибольшую
точность можно получить при фотографической регистрации,
отмечающей целый ряд отсчетов. Удобное оптическое устройство
для непрерывной регистрации отклонений гальванометра изобра-
жено на рис. 47 в главе IX.
Измерения, полученные методом определения скорости стека-
ния заряда, могут быть соединены с измерениями методом устой-
чивых отклонений, т. е. один и тот же фототок может измеряться
обоими методами. Они оба в сущности сводятся к измерению
емкости в цепи сетки.
Русские электрометрические лампы. Лампы отечественного
производства, которыми можно заменить описанные выше амери-
канские электрометрические лампы и которые работают в тех же
электрических схемах, были разработаны проф. А. А. Шапошни-
ковым в Ленинградском Электротехническом институте под
названием „плиотроны" и специалистом по измерительным лампам
инж. Б. М. Царевым под марками СИ-2, СИ-3, ЭМ-1, ЭМ-2.
Плиотроны по своим свойствам очень близки к американским
образцам и не уступают им по качеству изоляции. Они имеют
довольно большие габариты и подробно описаны в русской
технической литературе. Лампы инж. Царева обладают умень-
шенными габаритами и весом. Они очень удобны для сборки и
обеспечивают почти такую же точность измерений, как амери-
канские прототипы. Лампы старого образца СИ-2 и СИ-3 имеют
несколько большие размеры и цоколя с четырьмя штырьками.
Новейшие лампы, разработанные в 1941 году, снабжены восьми-
штырьковыми цоколями и управляющие сетки у них укреплены
на кварцевых изоляторах. Параметры лампы ЭМ-2, приводимые
в табл. 4, довольно близки к лампе D-96475.
В приложении указаны параметры ряда других русских и ино-
странных ламп, которые могут оказаться весьма полезными в прак-
тике лабораторных работ разного рода.
415
Таблицы электрометрических ламп инж. Б. М. Царева
Детали экспериментирования
с фотоэлементами
Фотоэлемент и электромет-
ренная лампа должны поме-
щаться в металлическом фут-
ляре, непроницаемом для света.
Если требуется наивысшая
чувствительность установки,
необходимо выкачать воздух
из футляра для того, чтобы
исключить влияние остаточных
ионов, получающихся в воз-
духе под действием космиче-
ских лучей. Удобной формой
для такого футляра можно счи-
тать медный цилиндр с неболь-
шим окошечком для света. Уси-
лительную лампу и фотоэле-
мент лучше всего прикрепить
с одного конца его на общей
торцевой панели для того,
чтобы при сборке их легче
было вынимать. Вакуумное
уплотнение может быть сде-
лано посредством резиновых
прокладок. Вакуум порядка
1 мм ртутного столба вполне
достаточен. Включение уста-
новки осуществляется при по-
мощи ряда контактов на оси,
которая поворачивается в ко-
ническом шлифе, сделанном в
толще торцевой панели. Внут-
ри футляра для усилительной
лампы целесообразно сделать
отдельный чехол, он же бу-
дет служить для защиты
фотоэлемента от влияния света
накала лампы. Если футляр не
эвакуировать, то его еле чует
тщательно сушить посредством
хлористого кальция или фос-
форного ангидрида.
На рис. 10 изображен про-
ект монтажа фотоэлемента и
лампы в эвакуированном латун-
ном футляре. На рисунке даны
41Й
все необходимые для пояснения надписи. Конструкции различных
эвакуированных резервуаров (кожуха), вентилей и подкладок под-
робно описаны в главе III.
На рис. 11 изображена удобная установка для охлаждения
цезиевого фотоэлемента. Охлаждение необходимо для уменьшения
влияния термоэлектронной эмиссии катода. Здесь задача заклю-
чается в том, чтобы фотоэлемент был насколько возможно охла-
жден и в то же время окно, пропускающее свет, должно быть
Рис. 10. Метод установки фотоэлемента и электрометрической лампы в эвакуи-
рованном латунном футляре. (Если схема, как обычно, бывает заземлена
в одной точке, в соответствии с рис. 7, то в изоляции бакелитом пружины из
фосфористой бронзы нет надобности, и се можно непосредственно укрепить
к медному стержню, как показано на рис. 11).
1 — защелка для закрепления выключателя в определенном положении; 2 — металлический фут-
ляр, где расположены зажимы и переключатели; 3—пробки из эбонита; 4 — медный экрани-
рованный кабель к пульту управления; 5 — сопротивления; 6 — лампа D-95475 в металлическом
экране; 7 — кран для удаления воздуха и вместе с ним переключатель, меняющий чувствитель-
ность; 8— отверстие для воздуха в кране; 9 —штифты из эбонита для управления переклю-
чателем; 10 — контактные пружинки из фосфористой бронзы, укрепленные на куске бакелита;
И—платиновые контакты выключателя; 12 — внешний контур футляра; 13—кварцевое окно;
14— охранное кольцо; 15 — кислородио-цезиевый фотоэлемент в металлическом экране;
16—трубки для выкачивания возпуха.
защищено от запотевания и не должно быть большого охлаждения
шлифов, уплотненных замазкой, иначе она сделается весьма хруп-
кой и будет пропускать воздух.
Это охлаждение создает необходимость значительного тепло-
вого градиента, который вполне обеспечивается трубкой из стекла
27 Стронг
417
Рлс. 11. Сосуд для фотоэлемента и электрометрической лампы, из'которого можно
выкачивать воздух, позволяющий подвергать фотоэлемент охлаждению для
уменьшения термоэлектронной эмиссии фотокатода.
1—провода к гальванометру и батареям, замазанные воском; 2— резиновая прокладка; 3-
эбонпт; 4— пружинный контакт, позволяющий вынуть усилитель; 5 — эбонит; 6 — подогревная
катушка на 6 вольт 5 натт, чтобы не запотевало окошко; 7—окошко из пирекса; 8 — алундовый
цемент; 9—-замазка из пицеина; 10 — деревянный яшик; 11—войлок 20 мм толщины; 12 — к вы-
ключателю; 13 — к крану и вакуумной системе; 14 — кулачки для включения; 15— экран электро
метрической лампы; 16 — сопротивления; 17 — платиновые контакты; 18 — защита от случайно^
засветки; 19—трубка из пирекса; 20 — замазка нз пиценна; 21 — фотоэлемент кислородно-цезиевыш
22— „сухой снег* (твердая углекислота); 23— крышка для накладывания сухого снега; 24 •—медныи
ящик и зашита для выравнивания температуры; 25—пружинные зажимы для крепления фото*
элемента.
пирекс, надетой на фотоэлемент. Для того чтобы поддерживать
по возможности одинаковую температуру, резервуар для сухого
льп.а делают из листовой меди, а трубку из стекла пирекс обер-
тывают медным листом.
На рис. 10 и 11 показано удобное приспособление для вклю-
чения установки, которое обеспечивает возможность применения
любого из трех сопротивлений в цепи изолированной сетки
для измерений методом определения скорости стекания заряда.
Изображенный на этих рисунках монтаж деталей не требует ника-
кого отдельного крепления для чувствительного сеточного
проводника, который крепится на самой лампе. Единственно, что
Рис. 12. Пулы управления схемой с электрометрической
лампой.
1—шунт Айртона; 2 — миллиамперметр; 3 — медный экранирован-
ный кабель, идущий к футляру с фотоэлементом, к заэкранирован-
ной батарее н к гальванометру; 4 — выключатель напряжения на
фотоэлементе; 5—выключатель тока; 6 — алюминиевый экран и
распределительная панель (крышка не изображена); 7 — реостат для
тока; 8 — тонкая регулировка; 9 — грубая регулировка.
требуется, — это применение хороших изоляционных материалов
(рекомендуется янтарь или плавленый кварц). Все поверхности,
которые являются изоляторами, включая фотоэлемент и внешнюю
поверхность лампы, должны быть совершенно чистыми и свобод-
ными от жира. Очищаются эти поверхности протиранием тряпкой,
смоченной 95° <i этиловым спиртом. В металлическом футляре
должны быть заключены все части схемы. Всякие контрольные
сопротивления, шунты гальванометра и вспомогательные приборы
следует смонтировать в цельнометаллическом ящике или в ящике,
покрытом жестяньш экраном, как показано на рис. 12.
В этот экранированный кожух рекомендуется поместить также
батареи питания. Температурная изоляция его безусловно жела-
тельна, так как она уменьшает сползание нуля. Соединение обеих
частей установки осуществляется либо многожильным кабелем,
применяющимся в радиопромышленности, либо в виде про-
27 * -119
волок, пропущенных внутри гибкого .металлического шланга
(освинцованный телефонный провод). Все, какие только возможны,
соединения должны быть спаяны, при чем в качестве флюса надо
пользоваться только канифолью, которую можно растворить
в спирте. В месте спайки она накладывается кисточкой. Припаи-
вать проволоку к ножкам лампы нет необходимости, а можно
употребить ламповую панель, в которую надо плотно вставить
эти ножки. Выводы же батареи необходимо припаивать к соеди-
нительным проводам.
Батареи должны быть в первоклассном состоянии; поверхности
банок и клеммы должны быть сухими и чистыми. Они не должны
быть сильно перезаряжены (с значительным выделением газа).
Всего выгоднее работать с батареей, разряженной до половины
ее емкости. Сопротивления, реостаты и потенциометры должны
быть высокого качества. Проволочные сопротивления могут быть
подобраны из радиодеталей. Были испытаны следующие амери-
канские детали: потенциометры типа 371 и сопротивления моделей
Н и J. Дешевые проволочные потенциометры, употребляемые
обычно радиолюбителями, ненадежны. Большие сопротивления
для цепи управляющей сетки, имеющие сопротивление до 1012 ом,
можно составить из мегомов, имеющихся в продаже.
Для осуществления некоторых измерений, когда требуется
портативная аппаратура или когда вибрации в помещении лабо-
ратории не дают возможности применять чувствительный гальва-
нометр, бывает необходим второй каскад усиления. Дю Бридж
(Л. X, 8) для второго каскада употреблял триод 112 А и получал
усиление по току в 4 ХЮ7 раз. Индикатором служил ему микро-
амперметр. Схема второго каскада не вызывает затруднения и для
нее пригодна почти всякая лампа с большой крутизной. Однако
для большинства лабораторных измерений всегда следует предпо-
честь одну электрометренную лампу с гальванометром. Гальвано-
метр с чувствительностью в 5ХЮ-10 А/мм, установленный на рас-
стоянии 1 м от шкалы, прост, хорошо изучен- и настолько чув-
ствителен, что обнаруживает неизбежные флуктуации усилителя,
даже если они доведены до минимума.
Другие типы ламп с малым сеточным током
^'Некоторые экспериментаторы отмечают, что многие радиолампы
промышленного типа, если работать при малых разностях потен-
циалов, имеют весьма малый сеточный ток и часто простым
подбором можно найти такие экземпляры ламп, у которых сеточ-
ный ток не превосходит 10~12 А (рис. 13). После тщательных
исследований Джонсон (Л. X, 30, 27) нашел, что пентод RCA-38
в этом отношении имеет хорошую характеристику. Деннинг
(Л. X, 10) рекомендует экранированную лампу Вестерн Электрик.
Мак-Дональд (Л. X, 37) отмечает, что лампа RCA-22 очень удобна
при низком напряжении, и дает ее полные характеристики.
420
При подборе лампы для усиления малых токов или напря-
жений наиболее важным параметром является именно сеточный
ток. Чтобы получить данные, необходимые для построения кри-
вой сеточного тока, наиболее удобен следующий метод: обычным
путем, по точкам или путем фотографической регистрации, стро-
ится анодно-сеточная характеристика лампы, сначала без вся-
кого сопротивления в цепи сетки, а затем с очень большим
сопротивлением, включенным последовательно. Расстояние на
оси абсцисс между двумя точками этих кривых, имеющих
одинаковые ординаты, представляет собой падение напряжения
(разность потенциалов) на сопротивлении благодаря наличию
сеточного тока. Деля эту разницу потенциалов на сопротивление,
включенное в цепь сетки, получим величину сеточного тока
в амперах. При этом необходим экранирующий кожух.
Рис. 13. Характеристики сеточного и анодного тока американской
лампы RCA-38.
Е — 6 вольт; Ese = 6 вольт; Ер ~ 12 вольт.
Характеристики для пентода RCA-38, по данным Джонсона,
представлены на рис. 13. Они, вероятно, представляют результаты
измерений,, выполненных со специально подобранным экземпляром
лампы. Из наклона нижней кривой находим, что сопротивление
сетки при—2 вольт равно 1012 ом. При равновесном потенциале
оно уменьшается до 5ХЮ10 ом.
Габю и Поль (Л. X, 11) нашли, что жолудь-пентод RCA-954 мо-
жет также работать в таких условиях, что у него будет очень малый
сеточный ток и очень высокое входное сопротивление. Сетка № 3,
обычно употребляемая в качестве антидипатронной, может рабо-
421
тать как управляющая. Благодаря особой конструкции лампы
эта сетка бывает хорошо изолирована. Сетка № 1, в нормальных
условиях служащая управляющей, соединяется с катодом. Сетка
же № 2 (экранная) получает положительный потенциал и служит,
как в электрометрепной лампе, для защиты управляющей сетки
от положительных ионов, образующихся около катода.
Один из образцов лампы 954 был испытан автором в усло-
виях, рекомендованных Габю и Полем в схеме, имевшей следую-
щие параметры: напряжение накала 4 вольта, сетка № 1 присое-
динена к катоду, сетка № 2 имела потенциал —13,5 вольт,
сетка № 3 — смещение — 4 вольта, потенциал анода -'-6 вольт,
при этом были получены анодный ток 60 микроампер, крутизна
100 микроампер-вольт, анодное сопротивление 35000 ом, коэфн-
циент усиления 3,5 и сеточный ток 4ХЮ“’;! ампер.
Рис. 14. Мощный усилитель постоянного тока по Хор гону.
Для большинства измерений слабых токов даже ниже 101'' ам-
пера вполне пригодна любая из указанных выше радиолами, го-
раздо более дешевых, чем специальные электрометренные лампы.
Усилители постоянного тока повышенной мощности. Много-
каскадные усилители постоянного тока по сравнению с широко
распространенными многокаскадными усилителями переменного
тока употребляются очень ре дко, вследствие неизбежной необхо-
димости иметь отдельное питание для каждого каскада усиления
и вследствие целого ряда затруднений, обусловленных суммарной
неустойчивостью режима и сползанием нуля.
Хартон (Л. X, 22) описал весьма остроумную схему, которая обла-
дает по сравнению с другими исключительными преимуществами
благодаря применению в качестве сопротивления в анодной цепи
другого пентода с большим „мю“.
Таким путем можно получить большое усиление без высокого
анодного напряжения, которое необходимо, если в цепи включено
чисто омическое сопротивление. Эта схема изображена на рис. 14.
Все анодные напряжения получаются от одной 180-вольтовой
422
батареи. Батарея накала тоже может быть общая для всех ламп, так
как изоляция между подогревами и поверхностью катодов у них
достаточно хорошая. Общее динамическое сопротивление этого
трехлампового усилителя оказалось около 4,5 мегома. Если
усилитель работает на индикатор с большим сопротивлением,
например на катодный осциллограф, то последняя лампа (триод 89)
может быть исключена, и индикатор присоединяется прямо ме-
жду катодом второго пентода и клеммой, соответствующей
90 вольт на анодной батарее. В этом случае усиление по напря-
жению достигало примерно 2500. Схема непригодна для высоких
Рис. 15. Трехкаскадный усилитель переменного тока для
фототоков от модулированных или прерывистых источников света.
/?, = 5-103 S; /?., = 10° 2; /?, — 250-103 2; R, — 5-10* 2; R. = 5-103 2; /?„ ~
= 10’ 2; Z?7 = 4.1O3 2; 25-1O3 2; Л, = 4-10’ 2; ff10 = 5-105 2 переменное;
/?„ = 5-10* потенциометр; С, = 0,02 [xF бумажн. 400 вольт или лучше слюдя-
ные; С. = 1 p.F — бумажн. 200 вольт; С, = 5 p.F — электролит. 25 вольт; С4 =
«=2uF—электролит. 450 вольт; Ct — 4 p.F —- электролит. 450 вольт; Св =
= 25pF—электролит. 25 вольт; C7 = 8p.F—электролит. 450 вольт; L, =>
= 12 генри, 80 мА
звуковых частот, вследствие большой емкости между катодами,
вводимой нагревателями. В подобной же схеме, описанной Шмид-
том (Л. X, 55), пределы измерений акустических частот значи-
тельно расширены, так как подогреватели питаются отдельными
оатареями. Схемы этого типа широко применяют для измерения
потенциалов в физиологических работах, в которых сопротивление
на входе обычно бывает весьма мало. Так как американская
42;
лампа 77 (и другие подобные мощные пентоды) имеет обычно
небольшое сопротивление между сеткой и катодом, то для
измерения фототоков целесообразно добавить каскад предва-
рительного усиления. Он может состоять или из электрометрен-
ной лампы или из любой другой лампы, имеющей малый сеточ-
ный ток, при условии питания ее отдельными батареями. С та-
кой комбинацией возможно достигнуть стабильного усиления
в 1010 раз, а индикатором может служить простои миллиамперметр.
Усилители переменного тока. Главное преимущество много-
каскадного усилителя переменного тока заключается в том, что
он работает от общего питания. Сигнал от каскада к каскаду
передается посредством конденсатора или трансформатора, которые
совсем не пропускают постоянного тока и являются относительно
малыми сопротивлениями для тока переменного. Так как такие
усилители пропускают только быстрые изменения напряжения,
то все медленные изменения анодного тока любой из ламп и
постепенные изменения приложенного напряжения не будут
оказывать влияния на его работу. Особенности различных конст-
рукций усилителей переменного тока обычно в литературе так
подробно излагаются (Л. X, 6, 14, 20), что здесь следует сделать
лишь несколько замечаний, ограничиваясь при этом только усили-
телями на сопротивлениях с емкостной связью. Рис. 15 изобра-
жает схему трехкаскадного усилителя фототоков для света,
модулированного звуковой частотой.
Для того чтобы конденсатор межкаскадной связи €\ выпол-
нял свою функцию передачи изменения анодного напряжения от
одной лампы на сетку следующей, он должен иметь меньший
импеданц, чем соединенное с ним последовательно сеточное со-
противление /?]. Сопротивление (реактанц) конденсатора в омах
дается хорошо известной формулой: X == ^с^'Де/—частота
в герцах, а С—емкость в фарадах. Простые вычисления показы-
вают, что при Q —0,02 микрофарады и при частоте 16 герц со-
противление становится уже равным сеточному сопротивлению
=500000 ом. Проще сказать, это будет границей работы усили-
теля со стороны низких частот.
Граница усиления со стороны высоких частот определяется
емкостью лампы и других деталей, шунтирующих сопротивление
в анодной цепи и сеточное сопротивление /?Р При высоких ча-
стотах конденсатор связи имеет пренебрежимо малое сопротив-
ление, так что сопротивление связи в сетке можно считать
включенным параллельно предыдущему каскаду. Прежде всего
рассмотрим цепь фотоэлемента. Сопротивления /?2 и 7?п вклю-
ченные в параллель, вместе равны 333000 ом. Емкость, шунти-
рующая это сопротивление, представляет собой сумму емкостей
фотоэлемента, подводящих проводов и динамической входной
емкости первой лампы. Общая динамическая емкость входа
определяется выражением:
424
С=Со+се/+[ 1 -1- ?.R,: (Rp+/?,)] сер,
где Со—емкость фотоэлемента и проводов, С f—емкость сетка —
катод лампы, Cgp — емкость сетка — анод, — коэфициент усиления
лампы, Rp — внутреннее анодное сопротивление лампы и Rt — со"
противление в цепи. В экранированной лампе типа 6С6 емкость
сетка—анод очень мала и поэтому последним членом в правой
части можно пренебречь. Емкость сетка — катод равна обычно при-
мерно 6 Общая емкость достигает примерно 15 ypF, что
составляет емкостное сопротивление (реактанц) в 333000 ом при
частоте в 34000 герц. Ее можно считать границей работы усилителя
со стороны высоких частот. Если употребляется газонаполненный
фотоэлемент, то необходимо еще принимать во внимание его
пониженную чувствительность на высоких частотах. Требования,
предъявленные к связи между каскадами, согласуются с этим же
общим положением. Вместо емкости фотоэлемента в этом случае
следует учесть емкость анод — катод лампы, передающей сигнал
в цепь связи со следующим каскадом. Динамическое сопротивление
анодной цепи лампы также оказывается включенным параллельно
сопротивлению цепи сетки. Границу усиления со стороны высоких
частот можно регулировать путем присоединения шунтирующего
конденсатора либо к сопротивлению анодной нагрузки, либо
к сеточному сопротивлению. Это явление проанализировано
Джонсоном, который показал, что подходящим подбором связей
и шунтирующих конденсаторов усилитель может быть весьма
остро настроен на любую частоту (Л. X, 29).
Необходимое отрицательное напряжение для сетки каждой
лампы получается автоматически, посредством сопротивления,
включенного в цепь катода. Если часть переменного анодного
тока за счет паразитных связей и утечки будет ответвляться
в сторону' сопротивления, то сеточное напряжение будет таким
образом изменяться и может получиться значительный дегене-
ративный эффект; усиление значительно уменьшится. Следо-
вательно, это сопротивление необходимо шунтировать емкое! ью,
которая представляла бы собой короткое замыкание для перемен-
ной составляющей анодного тока.
Для того чтобы сделать импеданц этой емкости меньше, чем
данное смещение сопротивления, даже при самых низких часто-
тах, иногда требуется подобрать емкость очень большой вели-
чины, но это легко сделать, воспользовавшись электролитными
конденсаторами, которые при ничтожной стоимости обладают
огромными емкостями. Необходимо принять все меры для того,
чтобы устранить обратную связь между первым и последним каска-
дом через цепь общего питания или по другим путям, иначе может
получиться генерация колебания, создающая свист и шум, напо-
минающие шум мотора.
Для устранения самовозбуждения усилителя служат развязы-
425
вающие фильтры, состоящие из сопротивлений и емкостей. Такие
фильтры включаются в провода, подающие напряжение на фото-
элемент, в цепь экранной сетки и в цепь анода во всех лампах
усилителя, за исключением последнего мощного каскада.
Принцип действия их заключается в том, что конденсатор
в каждой ячейке фильтра является сопротивлением для сигнала
примерно в 10 раз меньшим, чем присоединенное к нему сопро-
тивление даже на самых низких частотах, которые могут прохо-
дить через усилитель. Это равносильно требованию, чтобы по-
стоянная времени RC каждой ячейки фильтра была бы в 10 pas
больше постоянной времени сеточного конденсатора связи и
сопротивления. Для усилителя, изображенного на рис. 15, постоян-
ная времени контура связи равна 0,01 сек. Постоянная времени
для развязывающих фильтров в анодной цепи и в цепи экранной
сетки для лампы 6С6 равна 0,2 сек., т. е. больше даже, чем
требуется. В этом смысле полезно иметь некоторый запас,
особенно в развязывающих фильтрах фотоэлемента и первой лампы,
которые конечно наиболее чувствительны к влиянию обратной
связи. Все эти фильтры действуют сглаживающим образом на
выпрямленное напряжение питания. Для фотоэлемента и первой
лампы необходима еще защита (экранирование) в целях исключения
влияния нежелательных наведений электродвижущих сил извне.
Описанный выше усилитель представляет собой общий тип
конструкции усилителя переменного тока. Для обнаружения очень
малых интенсивностей света должны быть приняты добавочные
предосторожности и особое внимание должно быть уделено пер-
вому каскаiy. Фотоэлемент присоединяется непосредственно
к сетке первой лампы без конденсатора связи, сопротивление
в цепи сетки должно быть возможно большим. Желательно иметь
лампу с самым малым сеточным током, но электрометренная
лампа исключается вследствие относительно малого усиления
и большой чувствительности к микрофонному эффекту. Наиболее
удовлетворительными для первого каскада являются лампы типа
RCA-38 или WEC-259B при пониженном анодном напряжении.
Тщательная экранировка, конечно, безусловно необходима. Каждая
лампа со своим сеточным сопротивлением и конденсатором связи
должна быть помещена в отдельный металлический кожух с при-
мыкающим к нему помещением для сопротивления, дающего
сеточное смещение, и для развязывающего фильтра. Лампа для
выходного каскада должна быть выбрана в соответствии с харак-
тером ее нагрузки. Лампа, предшествующая последней, обычно
берется промежуточного типа меж;у усилителем по мощности
и по напряжению.
Джонсон и Ни черт описали усилитель для очень слабых
переменных напряжений с пентодами типа RCA-38, работающими
на пониженном напряжении для всех каскадов, кроме последнего.
Для каждого каскада они употребляли отдельную батарею,
но так как анодный ток был достаточно слабым, можно было
426
взять батареи небольших размеров. Благодаря этому их можно
было поместить в общий футляр с лампами. Таким образом,
опасность связи через анодные батареи исключалась. Много
ценных практических советов дает Деннинг (Л. X, 27,10) в работе
об усилителях для обнаружения ионизированных частиц.
Флуктуационные шумы в схемах с электронными лампами
Флуктуации тока в вакуумных лампах, определяющие наимень-
ший сигнал, который еще может быть обнаружен, долгое время
назывались „шумом". Этот термин по своей наглядности удобен
даже тогда, когда ток не превращается в звук. Когда имеются
возмущения, вызванные такими внешними причинами, как вибра-
ции, плохая изоляция, плохие соединения и тому подобное, то их
можно исключить тем или иным путем, но остается еще три источ-
ника шума, присущие первой лампе и входной цепи усилителя:
1. Тепловой шум в сопротивлениях в цепи сетки.
2. Шот-эффект токов в цепи сетки.
3. Шум самой лампы.
Существенно, чтобы экспериментатор был в состоянии зара-
нее подсчитать ожидаемое напряжение от шума в отдельном
контуре, иначе он может допустить ошибку, приписывая шумы
внешним возмущениям и напрасно затрачивая много времени,
добиваясь улучшения работы своей аппаратуры в тех случаях,
когда достичь этого улучшения оказывается возможным лишь
путем коренного пересмотра всей конструкции прибора.
Пирсон (Л. X, 47,28) опубликовал результаты изучения этого
вопроса и данные о некоторых лампах с малым шумом.
Средняя квадратичная величина напряжения на сеточном сопро-
тивлении R, получаемого за счет молекулярного теплового дви-
жения заряда в нем, выражается формулой:
А
£у. - 4kTR J । ; »
где k — постоянная Больцмана, Т—абсолютная температура,
/2 и/, — верхняя и нижняя границы полосы пропускания частот
усилителем и С—динамическая емкость входной цени первой
лампы. В случае, если второй член знаменателя мал по сравнению
с единицей для всей полосы частот между f, и как это требуется
для исключения частотных искажений, то выражение для тепло-
вого шума при температуре 300° К обращается в:
£;= 1.64X10““/?(/.-/,)
Можно подсчитать, что напряжение теплового шума на сопро-
тивлении в 1 мегом, присоединенном к усилителю с полосой
427
пропускания в 10000 гц (охватывающую всю область звуковых
частот), равно 13 микровольтам.
Постоянная Больцмана, как известно, равна £ = 1,37 X Ю~16
эрг/градус. При 300°К или комнатной температуре kT= 0,41 X Ю~13
эргов, или 0,41 X Ю _£джоулей. Последней величиной следует
пользоваться в тех случаях, когда вычисления производят в прак-
тических единицах (кулонах, вольтах, амперах и фарадах); заряд
электрона равен е = 1,6 X Ю 19 кулона.
Среднее квадратичное напряжение, появляющееся благодаря
шот-эффекту от тока в цепи сетки, равно:
£, — 2^4 R- J 1 »
где е — заряд электрона и / — сумма абсолютных величин поло-
жительной и отрицательной составляющих сеточного тока.
То же самое уравнение применимо и к шот-эффекту фото-
тока от вакуумного фотоэлемента. В газонаполненных фотоэле-
ментах каждый фотоэлектрон освобождает заряд р. е, где —
коэфициент газового усиления. Для грубого подсчета величина
^ge может быть тогда подставлена в формулу вместо заряда
электрона, но Кингсбюри нашел, что в действительности вели-
чина „шума“ оказывается несколько больше, чем вычисленная на
основании этого предположения (Л. X, 32).
Шум самой лампы не может быть меньше, чем тепловой шум
ее внутреннего сопротивления (анод — катод). Разнообразные при-
чины делают эту величину в несколько раз больше теоретически
вычисленного минимума. Обычный путь оценки качества лампы
в этом отношении — указание того сопротивления, которое при его
включении в цепь сети будет давать то же напряжение шума на
выходе, что и сама лампа. Лампы с низким уровнем шума имеют
эквивалентное сопротивление от 4000 до 40 000 ом. Шум самой
лампы поэтому не оказывает существенного влияния в усилитель-
ных установках для усиления фототоков, так как сопротивление
цепи сетки практически всегда бывает значительно больше этой
величины.
Когда измеряются очень малые токи с электрометренной лам-
пой, сеточное сопротивление берут очень большим либо упо-
требляют метод свободной сетки. При этих условиях, когда ско-
рость отсчета определяется самой схемой, а не гальванометром,
уравнения для теплового шума и шума от шот-эффекта прини-
мают более простой ви ц
Как показал Хефстенд (Л. X, 15), при этом будут справедливы
следующие равенства:
„2 k Т clgR
ьт^-с и Es= .
428
Надо отметить, что тепловой шум оказывается уже независящим
от величины сопротивления, и поэтому для всех электрометров
получается один нижний предел.
Если С = К) 11 фарады, что практически является минималь-
ной величиной для цепи сетки включая фотоэлемент и подво-
дящие провода, то тепловой „шум" при 300е К по вычислению
дает 20 микровольт. Если /? = 2ХЮа ом, а Л = 10“"ь ампер, то
величина напряжения от шот-эффекта равна 1,3 микровольта, т. е.
столь мала по сравнению с тепловым „шумом", что ею можно
пренебречь. Получающаяся при этом погрешность измерения
тока составляет 10~16 А.
Однако если применяется сопротивление в 5 ХЮ10 ом или
меньшее с шестисекундным гальванометром, то последний уже
лимитирует скорость отсчета и действует эквивалентно увели-
чению емкости. В этом случае наблюдаемое напряжение шума
уменьшается до 8 —10 микровольт. Большая емкость в цепи
сетки также уменьшает напряжения шума, но зато время отсчета
возрастает настолько, что точность измерений остается прежней.
Когда лампа работает при равновесном потенциале, входное
сопротивление самой лампы R равно примерно 1014ом и/ имеет
обе свои составляющие по 10 ампер каждая. Вычисленный на
основании этого шум от шот-эффекта измеряется 40 микроволь-
тами. Тепловой же шум не отличается, конечно, от предыдущего
случая (20 микровольт). Таким образом, получается общее на-
пряжение шума по теории вероятностей в ]/403 -ф-20^=45 микро-
вольт, и вероятная погрешность отдельного измерения заряда
доходит до 4 X 10“16кулона или, если время накопления его по-
ложить равным 1 минуте, вероятная погрешность в определении
силы тока будет 7 X Ю 18 ампер. С этой точки зрения суще-
ственно иметь небольшую емкость. Эти теоретически вычислен-
ные пределы точности при соблюдении необходимых предосто-
рожностей могут быть достигнуты и практически.
Применение фотоэлементов в фотометрии
В лабораторной практике фотоэлементы применяют главным
образом для целей фотометрии. При правильном использовании
фотоэлементов можно получить весьма высокую точность изме-
рений. Однако необходимо помнить, что существует очень мало
фотоэлементов, которые сохраняют постоянную чувствительность.
Интегральная чувствительность, так же как и спектральная, может
со временем изменяться. Вследствие этого при точных измерениях
фотоэлемент применяют только для сравнения между собой стан-
дартного и неизвестного источников света. Кроме того, некоторые
фотоэлементы обнаруживают еще и усталость при освещении яр-
ким светом. Если необходима пропорциональность между током и
429
интенсивностью освещения в широких пределах освещения (при
увеличении его в 2 — 3 раза), то необходимо проверить линей-
ную зависимость между ними. Для этого удобен способ, осно-
ванный на законе квадратов расстояния. Если свет на чувстви-
тельную поверхность проектируется какой-нибудь оптической си-
стемой, то освещаемая площадь поверхности не должна быть
очень малой. Освещенное пятно диаметром в 1 см при вне-
фокальном положении фотоэлемента можно считать наиболее
подходящим.
Свет при замене одного источника другим должен падать по
возможности на одну и ту же площадку светочувствительной
поверхности. Это уменьшит погрешности, обусловленные мест-
ными отклонениями в чувствительности различных участков по-
верхности.
Существуют три главных метода фотоэлектрической фото-
метрии:
1. Метод подстановки: фотоэлемент попеременно освещают
стандартным и неизвестным источниками, а затем отмечают отно-
шение отклонений гальванометра. Это наиболее простой и прямой
метод. Он может давать превосходные результаты. Точность,
конечно, зависит от линейности показаний как самого фотоэле-
мента, так и прибора, измеряющего ток.
2. Метод компенсации фотоэлементов: два фотоэлемента вклю-
чаются навстречу, и интенсивность стандартного или неизвестного
источника уменьшается каким-либо обычным способом до тех
пор, пока они не сравняются. Хотя метод этот можно сделать
очень чувствительным к нарушению компенсации, но здесь он
встречает основное возражение, обусловленное неизбежным не-
постоянством обоих фотоэлементов с течением времени.
3. Метод мерцаний: один фотоэлемент освещается попеременно
двумя источниками света со значительной частотой. Интенсивность
более яркого из них снижается при помощи надлежащего плав-
ного ослабителя до тех пор, пока не исчезнет „мерцание.*1 Дня
того чтобы уловить этот момент, можно применять усилитель
переменного тока. Настраивающийся индикатор настройки 6Е5
(„радиоглаз") является вполне удовлетворительным индикатором
для определения минимумов (Л. X, 12, 64). Это превосходный
метод, так как линейность фотоэлемента и усилителя не имеют
значения.
При работе с гетерохромным (цветным) освещением фотоэле-
мент может давать показания относительной яркости совершенно
отличные от результатов измерений с помощью глаза благодаря
различию их спектральной чувствительности. Фотоэлементы, кри-
вая спектральной чувствительности которых подогнана к спек-
тральной чувствительности глаза, можно применять вместо зри-
тельных стандартов яркости без каких-либо изменений; например,
фотоэлемент Photox фирмы Вестингауз довольно хорошо удо-
влетворяет этим требованиям без добавочных фильтров. Неко-
ею
торне заводы прилагают соответствующие фильтры, чтобы при—
способить их к спектральной чувствительности глаза.
Для целого ряда колориметрических измерений применение
фильтров может дать много полезных сведений. Примерами мо-
гут служить оценка белизны бумаги (Л. X, 7), цветовой температуры
лампы (Л. X, 5) или звёзд (Л. X, 59) и др. Однако эти результаты
в такой сильной степени зависят и от особенностей фотоэлемента
и от фильтров, что их можно применять лишь при постоянной
сверке с каким-нибудь стандартом. Нужно помнить, что почти все
стеклянные и желатиновые фильтры, перечисленные на стр. 364,
прозрачны в инфракрасной области спектра. Самым основным
инструментохм в фотоэлектрической спектрофотометрии является
хороший монохроматор или, что еще лучше, двойной монохро-
матор, так как он в значительной мере уменьшает подсвечивание
фотоэлемента светом других длин волн, помимо той, с которой
производят измерения.
Пристом в 1936 г. описал простой метод исключения по-
грешностей, обусловленных рассеянным светом в монохроматоре.
У входной и выходной щелей помещают маленькие заслонки,
каждая из которых закрывает половину щели по длине. Делают
два отсчета: первый, когда обе заслонки расположены так, что
весь свет от половины входной щели проходит сквозь монохро-
матор, и второй, когда они расположены так, что прямой ход
лучей закрыт, а па фотоэлемент попадает только свет, рассеянный
внутри монохроматора. Это позволяет вычислить соответствующую
поправку (Л. X, 50)
Основные спектрофотометрические лабораторные измерения
(Л. X, 50) заключаются в получении кривых спектрального распре-
деления излучения, пропускания и отражения от окрашенных по-
верхностей. Для получения спектральных кривых излучения сле-
дует предпочесть в качестве индикатора терморадиометр, так
как он измеряет энергию непосредственно. Однако если интен-
сивность для терморадиометра слишком мала, то можно приме-
нять и фотоэлемент с хорошо известной кривой спектрального
распределения чувствительности, чтобы была возможность
вводить поправки при вычислении энергии для каждой длины
волны. Кривая спектральной чувствительности фотоэлемента мо-
жет быть построена путем сравнения его с терморадиометром,
если в качестве источника света для монохроматора применить
источник, обладающий достаточной яркостью. Это общий метод
получения кривых, изображенных на рис. 1.
Так, например, кривые спектральной прозрачности фильтров
могут быть очень легко получены при помощи монохроматора
и фотоэлемента. Отношение интенсивности, измеренной с филь-
тром на пути лучей, и интенсивности без него дает после умно-
жения на 100 для каждой длины волны величину пропускания
фильтра в процентах. Если фотоэлемент нельзя поместить в непо-
средственной близости от щели, чтобы принять всю выходящую
431
из щели радиацию, то необходимо применить добавочную линзу.
Небольшое добавочное приспособление дает возможность изме-
рить и построить кривую поглощения растворов (Л. X, 21, 68),
помещая на пути лучей поглощающую кювету.
Измерение спектрального отражения проводят таким же спо-
собом, только фотоэлемент при этом приходится перемещать так
чтобы на него попадал свет или прямо от монохроматора или
после отражения. Для определения диффузного отражения пред-
мет обычно освещают под углом в 45°, а наблюдение производят
по направлению нормали к поверхности. Отражение оценивают
по отношению к отражению от некоторого стандартного материала,
например от поверхности углекислого магния (magnesia alba).
Флюоресценция некоторых материалов может вызывать такие
затруднения, которые можно исключить только помещая отра-
жающую поверхность на пути лучей света перед тем, как он
попадет в монохроматор.
Все вышеупомянутые методы спектрофотометрии предпола-
гают строгую пропорциональность между световой энергией
и показаниями фотоэлемента с прибором, измеряющим ток.
В обычно встречающихся на практике случаях отступление от нее
не вызывает больших ошибок, но при точных измерениях необ-
ходимо исследовать линейность показаний. Следует вспомнить
о построенном Харди автоматическом регистрирующем спектро-
фотометре (Л.Х, 17,56), который работает на принципе мерцания и
поэтому дает запись, не зависящую ни от характеристики фото-
элемента, ни от усилителя, ни от изменений в интенсивности
освещения. Этот прибор применим для многих видов измерений
и дает весьма точные результаты.
Денситометры
В фотографической фотометрии необходимо правильно при-
менять способы измерения плотности фотографического изобра-
жения. В качестве световых индикаторов в объективной денсито-
метрии очень широко пользуются фотоэлементами. Так как вся
фотографическая фотометрия состоит в интерполяции между
стандартными плотностями почернения, для которых известно
отношение интенсивностей вызывающего их света, то спектраль-
ная чувствительность индикатора и линейность характеристики
его не играют уже существенной роли.
Для простого определения светочувствительности фотографи-
ческих материалов, когда равномерная плотность почернения
получается на площади в несколько квадратных миллиметров,
хороших результатов можно добиться при помощи очень про-
стого приспособления без всяких оптических систем: автомобиль-
ную фару укрепляют над плоским непрозрачным экраном на рас-
стоянии 300 или 500 мм от него; в экране делают прямоугольное
отверстие определенных размеров, прямо позади которого укреп-
432
ляют фотоэлемент и соединяют его с гальванометром. Пластинку
лучше всего класть на отверстие эмульсией вниз для уменьшения
явлений рассеяния. Мисс Мёлер и мисс Тейлор (Л. X, 41) описали
отражающий денситометр для фотобумаги, изготовление которого
так же просто, как и предыдущего. Затруднения, вызываемые внеш-
ним рассеянным светом и диффузным рассеянием света в эмуль-
сии, могут быть устранены введением простой проектирующей
оптической системы.
Во многих случаях желательно знать плотность фотографиче-
ского почернения на очень малых участках поверхности пластинки,
тогда денситометр обычно называется микрофотометром.
Ланге (Л. X, 35) и Миллиген (Л. X, 40) описали микрофото-
метры с фотоэлементами, дающими фотоэлектродвижущую силу.
Оптическая система прибора Ланге изображена на рис. 16. Собира-
Рис. 16. Оптическая система микрофотометра Ланге.
1 — источник света; 2 — конденсор, фокусирующий изображение полоска
на объективе микроскопа; 3 — шел в; 4— измеряемая спектрограмма;
5 — объектив микроскопа, фокусирующий изображение щели на спектро-
грамме; 6 — фотоэлемент в защитном футляре.
тельная линза дает изображение нити лампы в плоскости диафрагмы
объектива микроскопа, который установлен так, чтобы резко
очерченное изображение щели попало на плоскость эмульсии.
Ширина изображения проектируемой щели может быть доведена
до 0,01 мм. Прибор поэтому способен дать высокую разреша-
ющую силу.
Гаррисоном (Л.Х, 18) сделано обозрение и других образцов мик-
рофотометров и их оптических систем. Для того чтобы исключить
ошибки, вызываемые светом, рассеянным диффузно, обычно
употребляют две щели и приборы с большой разрешающей си-
лой. Для того чтобы получить достаточную чувствительность
с приемлемой скоростью измерения, следует употреблять фото-
элемент с внешним фотоэффектом и усилитель. Для усилителя,
как сообщил Ж. Е. Крон (Л. X, 34), вполне пригоден пентод, напри-
мер пентод RCA-38, схема включения которого изображена на
рис. 6Аи7. Наилучшие условия работы и параметры этой схемы:
накал 6 вольт (от аккумуляторной батареи), управляющая сетка —
1,5 вольта, экранная сетка 4-6 вольт, анод 4~ 12 вольт (от небольших
радиобатарей), анодный ток 60 микроампер, крутизна 150 микро-
бе Стронг
433
ампер на вольт, сопротивление в цепи сетки от 10в до 10s ом и гальва-
нометр 5 X Ю“® ампер мм. Фотоэлемент рекомендуется кислородно-
цезиевый, вакуумный. Измерение пропускания света растворами,
в зависимости от толщины слоя и концентрации, можно также про-
изводить весьма успешно при помощи фотоэлементов. Многие
приемы химических анализов, которые ранее проводились при кон-
троле визуальным методом, теперь с большей точностью выпол-
няют при помощи контроля с фотоэлементами (Л. X, 66, 61).
Поглощение света раствором пропорционально логарифму кон-
центраций. С другой стороны, в некоторых пределах плотность
почернения фотопластинки является тоже пропорциональной лога-
рифму освещения.
Поэтому целесообразно построить усилитель с логарифмиче-
ской характеристикой тля того, чтобы получить денситометр
с прямым отсчетом. Хёнт (Л. X. 26) нашел, что некоторые лампы
с подвижной детектирующей точкой на характеристике (подобные
Рис. 17. Увеличение отклонения гальванометра (фотореле'.
1 — двойной фотоэлемент; 2 — изображение щели; 3 — к второму гальва-
нометру; 4 — конденсор, фокусирующий изображение источника света иа
зеркальце гальванометра; 5— щель; 6—линза, фокусирующая изображе-
ние щели на фотоэлементе; 7—зеркальце; 8 — первый гальванометр.
лампе 78) могут давать достаточно точную логарифмическую
характеристику примерно при десятикратном изменении напряже-
ния. Применяя три каскада таких ламп, эту область можно рас-
ширить до тысячекратного изменения. Эти схемы, впрочем, при-
годны только для усиления переменных напряжений.
Мюллер и Кинней (Л. X, 45) применили этот принцип для измере-
ния концентрации растворов. Они сообщают также, что э. д. с.
разомкнутого селенового фотоэлемента может иметь также лога-
рифмическую зависимость от интенсивности освещения.
Увеличение малых отклонений гальванометра
Наивысшая чувствительность гальванометра с подвижной ка-
тушкой определяется влиянием на него броуновского движения.
Однако пределы, которые ставит нам оптическая система, вызы-
вают затруднения при попытке реально получить эту чувстви-
тельность у гальванометра с относительно коротким периодом.
434
Моль и Бюргер (Л. X, 42) описали термореле, в котором поворот
катушки, составляющий всего несколько дуговых секунд, увели-
чивается и отсчитывается при помощи второго гальванометра.
Совсем недавно вошли в употребление подобные же схемы увели-
чения отклонений с фотоэлементом (Л. X, 31, 44, 62), имеющие
значительное преимущество в смысле получения большей скоро-
сти выполнения отсчетов.
Наиболее простой метод увеличения отклонений основан на
включении двух фотоэлементов (с фото э. д. с.) навстречу друг
другу. Для этой цели светочувствительную пластинку селенового
фотоэлемента вынимают из его оправы. Это можно сделать путем
его развинчивания, если нужно с легким подогреванием для раз-
мягчения склеивающей ее замазки. Проводящий слой на светочув-
ствительной поверхности разделяют на две части чертой, процара-
панной вдоль диаметра диска, посредством какого-нибудь острого
инструмента (грабштихель). Получаемые при этом крошки сле-
дует осторожно удалить. Если все это проделать достаточно тща-
тельно, то обе половины верхнего проводящего слоя будут изоли-
рованы одна от другой, и каждая из них может быть снабжена
отдельными отводящими ток проводниками. Оптическое устройство
прибора изображено на рис. 17. Лампочка автомобильной фары
фокусируется на зеркальце первого гальванометра обычной лин-
зой, перед которой помещается узкая прямоугольная щель. Линза
гальванометра дает яркое изображение щели на разделенном ди-
ске фотоэлемента. Обе половины верхнего проводящего слоя фото-
элемента присоединяют ко второму гальванометру, который будет
показывать разность освещения обеих половин. Расстояние между
фотоэлементом и первым гальванометром в 250 — 500 мм вполне
достаточно. Второй гальванометр устанавливается в наиболее
удобном для отсчетов месте. Это называют оптическим усилением.
При помощи такой установки можно легко получить увели-
чение отклонения в 200 раз. Эта величина вполне достаточна для
того, чтобы влияние броуновского движения на гальванометр
сделать заметным (подробнее об этом указано в главе VIII, стр. 317).
Другой способ увеличения отклонения — составление особой
высокочувствительной схемы с коротким собственным периодом
из двух короткопериодных и относительно малочувствитель-
ных гальванометров. Линейность ее на всем диапазоне измерений,
конечно, должна быть проверена, так как в ней нельзя быть
уверенным.
Тиратроны и контрольные приборы
Введение газа в электронные лампы с горячим катодом значи-
тельно увеличивает мощность лампы благодаря нейтрализации
пространственного заряда образующимися в газе положительными
ионами. Анодно-сеточная характеристика такой электронной лампы
совсем иная, чем у лампы вакуумной. При достатачном отрица-
28*
435
тельном потенциале на сетке лампа не пропускает ток. При
определенных критических значениях потенциала сетки, величина
которых зависит от потенциала на аноде, в ней происходит газовый
разряд, и лампа, как говорят, „вспыхивает", при чем сетка теряет
способность управлять анодным током, так как оказывается окру-
женной оболочкой из положительных ионов. Разряд можно оста-
новить fтолько сняв анодное напряжение. Падение напряжения
в лампе практически не зависит от силы тока и составляет при-
мерно 15 вольт. Для того чтобы предохранить лампу от разру-
шения, необходимо ограничить силу тока путем включения над-
лежащего сопротивления во внешнюю цепь.
Лампы этого типа известны под названием „тиратронов" (Л. X, 25).
Вакуумная промышленность изготовляет их в больших количе-
ствах и разных размеров. В качестве газа для наполнения тира-
тронов применяют аргон и пары ртути. Лампы с ртутными парами
имеют один недостаток — зависимость их параметров и характе-
ристики от температуры, но он обычно не существенен. Лампы
с аргоном хотя и не имеют этого недостатка, но не могут давать
Рис. 18. Применение тира-
трона в качестве реле для
термостата с ртутным регу-
лятором.
Рис. 19. Фазосдвигатель для
управления тиратроном.
такой мощности, как ртутные. Самая большая лампа с аргоном
производства Дженераль Электрик (FG-81) имеет средний макси-
мальный ток в 0,5 ампера и максимальное анодное напряжение
180 вольт. Вакуумная промышленность СССР выпускает газовые
тиратроны и значите чьно большей мощности.
Во многих схемах газовые лампы применяют при питании
анодной цепи непосредственно переменным током. В течение
отрицательной половины периода сетка вновь получает способ-
ность управлять током, и поэтому на выходе схемы получается
выпрямленный пульсирующий ток. Если хотят воспользоваться
и той и другой половинами волны, следует взять две лампы.
Тиратроны очень часто применяют в качестве реле. По сравнению
с электромеханическим реле, он потребляет значительно меньшую
436
мощность, оказывается надежным и более спокойным в работе
и не имеет контактов, которые быстро изнашиваются и перестают
срабатывать. На рис. 18 изображен тиратрон, служащий в термо-
стате в качестве реле, управляемого ртутным термометром. На-
грузку, потребляющую мощность в 2 киловатта, можно включать
и выключать током в ртутном контакте силой всего в несколько
микроампер. Таким образом, ртуть избавлена от всякого загрязне-
ния, вызываемого искрением в контакте.
Этот частный случай применения тиратрона очень нагляден.
Управление тиратроном можно выполнять фотоэлементом, а в ка-
честве нагрузки можно включать и освещение, и мотор, и элек-
тромагнит. Если необходимо работать с особенно малой мощно-
стью в цепи управляющей сетки, оказывается очень удобной
четырехэлектродная лампа, известная под названием тиратрон
Рис. 20. Стабилизатор температуры с фотоэлементом и фазосдвигателем.
1 — гальванометр; 2 — зеркальце; 3 — обмотка печн; 4 — фотоэлемент.
с экранной сеткой (Л. X, 36). Такие тиратроны выпускает наша
вакуумная промышленность. Применяя схему, дающую непрерыв-
ное изменение сдвига фаз, можно получить непрерывное изменение
среднего значения анодного тока от нуля до полной амплитудной
величины его. Подобная схема изображена на рис. 19.
Фаза переменного сеточного напряжения изменяется в соот-
ветствии с изменением отношения величин С и R. Если R очень
велико, то напряжение на сетке сдвинуто по фазе на 180° по
отношению к анодному напряжению, и лампа не проводит ток.
Если R равно нулю или очень мало, то сеточное напряжение
оказывается в фазе с анодным, и лампа зажигается в начале каж-
дой положительной полуволны и дает максимальную величину
среднего выпрямленного тока. При средней величине R сеточное
напряжение будет приближаться к своему критическому потен-
циалу в определенный момент времени, в течение положительного
полу периода напряжения на аноде, и лампа проводит ток в тече-
ние оставшейся доли положительного полупериода.
Таким образом, возможно плавное и совершенно линейное
изменение среднего тока. В качестве сопротивления R может
служить и любая электронная лампа и фотоэлемент.
437
На рис. 20 представлена фазопеременная схема для поддер-
жания постоянной температуры в печи (Л. X, 69), нами
испытанная. Температура в печи поддерживалась постоянной при
880°С с точностью до 0,06 С и контролировалась термопарой (тер-
мометр с сопротивлением мог быть также удобен для этой цели).
Чтобы устанавливать по желанию ту или иную постоянную
температуру, в цепь гальванометра был включен потенциометр.
Свет от автомобильной лампочки фокусировался на зеркальце
гальванометра линзой и проходил сквозь клинообразную щель,
поставленную перед фотоэлементом. Количество света, падающего
на фотоэлемент, который был газонаполненным, задавало опреде-
ленный ток, текущий в цепи тиратрона, и регулировало темпера-
туру в печи. Сопротивление Rlt включенное параллельно регули-
рующей температуру схеме, пропускает большую часть нагре-
вающего печь тока и дает возможность употреблять тиратроны
малой мощности. Сопротивление /?2 ограничивает ток в тиратроне
до его максимально допустимой величины. Емкость С может
представлять переменный конденсатор в 200 »xuF. Эта установка
представляет собой пример из целого ряда контрольных механиз-
мов, которые бывают весьма часто необходимы в лабораториях.
Эта схема отличается от простой схемы контроля температуры
способом переменного включения и выключения тока электро-
механическим реле тем, что корректирующий фактор (сила допол-
нительного тока), по мере того, как „ошибка" (уклонение от по-
стоянной температуры) уменьшается, приближается постепенно
к нулю, а потому „отставание" почти исключается. Те же прин-
ципы применимы к установкам для поддержания постоянной
скорости вращения,силы тока или величины напряжения. С двумя
источниками света и двумя фотоэлементами подобная схема может
быть использована для управления мотором, автоматически балан-
сирующим мостик Уитстона или удерживающим точку на шкале,
или выполняющим любую другую „следящую" операцию (Л.Х, 19).
ГЛАВА XI
ФОТОГРАФИРОВАНИЕ В ЛАБОРАТОРИИ 1
Сравнение чувствительности глаза с чувствительностью
фотографической эмульсии
На рис. 1 представлены относительные видимости различных
длин волн спектра. Для того чтобы показать различие реакции
на длины волн глаза и фотографической пластинки, эти кривые
Рис. 1. Сравнение спектральной опенки порога чувствительности
глаза с воспринимаемым световым ощущением.
1 — порог видимости; 2 — обычная воспринимаемая яркость.
на верхней части рис. 2 сравнены с кривыми чувствительности для
эмульсий обыкновенных, ортохроматических и панхроматических.
На нижней части рис. 2 изображены кривые спектральной
чувствительности различных эмульсий, полученные методом клино-
видной щели. Для их построения был использован солнечный
свет и свет вольфрамовой лампы накаливания. Высота заштри-
хованных площадок указывает на чувствительность эмульсии
к данной длине волны.
Эти кривые спектральной чувствительности имеют максимум
около к = 4700 А, тогда как истинные кривые чувствительности
всех эмульсий, как это указывает верхняя часть рис. 2, имеют
максимум в ультрафиолетовой области спектра. Такое смещение
максимумов объясняется существованием своеобразного для каж-
1 Помимо сведений, содержащихся в этой главе, читатель найдет много
ценных указаний по данному вопросу в рекомендованных пособиях.
439
Рис. 2. Чувствительность фотоэмульсий по спектру
(длина волны в mu.).
(—чувствительность к свэтовой энергии, выраженной в эргах на кв. санги»
метр: 1 — обычные пластинки; 2 — ортохроматические; 3 — панхроматиче-
ские. И — экспозиция при солнечном свете: 1 — обычные пластинки;
2 - ортохроматические; ?— панхроматические тип А; 4 — панхроматиче-
ские тип В; 5 — панхроматические тип С.
III — экспозиция при вольфрамовой лампе накаливания: 1—панхромати-
ческие тип А; 2 — панхроматические тип В; 3 — панхроматические тип С;
4 — иластинки Истмена, чувствительные для инфракрасной части, тип R\
5 — инфракрасная пленка Кодак.
дого источника света спектрального распределения энергии света
и поглощением в линзах фиолетовой и ультрафиолетовой области
спектра.
Однако при определенном источнике света и данной оптике
440
приведенные кривые достаточно наглядно характеризуют чувстви-
тельность различных эмульсий.
В табл. 1 приводятся относительные чувствительности глаза
и фотографической пластинки к источнику света в форме свет-
лой линии на темном фоне.
Таблица 1
Порог спектральной чувствительности фотопластинки по сравнению
с порогом зрительного ощущения
Цвет линейного изображения источника света, еле видимого на темном фоне ВремЯ/ необходимое для регистра- ции этой линии на панхроматиче- | ской фотопластинке
Фиолетовый Голубой (4500 А) • Зеленый (5200 А) Красный (водородная линия) Далекий красный 1 мин. 5 мин. 30 час. 17 мин. 1 мин.
Данные этой таблицы появились несколько лет тому назад
в „Scientific American". Ими можно воспользоваться для опреде-
ления приблизительной величины экспозиции для различных
спектральных линий на основании оценки яркости их на глаз при
фотографировании спектров (Л. XI, 4, 6, 9, 10, 19).
Кривые Хертера и Дриффильда
Характеристики общей чувствительности фотографических пле-
нок и пластинок даются обычно в форме кривых почернения
Хертера и Дриффильда (Л. XI, 12,5) (мы будем называть их кри-
выми почернения, или кривыми H—D). Одна такая кривая изоб-
ражена на рис. 3. Эти кривые представляют собой соотношение
между плотностью фотографического почернения и экспозицией
для белого света, которая необходима, чтобы вызвать это почер-
нение. Почернение, измеряемое в единицах фотографической
плотности Д, откладывается по оси ординат, а логарифм экспози-
ции Е откладывается по оси абсцисс. Величина Д определяетст
из уравнения:
А = togw f- (О
Здесь Т есть пропускание света экспонированной и проявлен-
ной пластинкой или пленкой.
Форма характеристических кривых H—D зависит от свойств
эмульсии и, если используется окрашенный свет, от длины волн
его, т. е. от кривой спектрального распределения энергии в свете,
при котором производится экспозиция. Различные фотографиче-
ские материалы могут дать кривые Н—D, значительно отличаю-
441
щиеся от кривой, указанной на рис. 3. Например, прямолинейный
участок кривой, где Д точно пропорционально логарифму экспо-
зиции, не всегда бывает строго выдержан. Приведенная на рис. 3
кривая является несколько идеализированной, но она все же
дает правильное представление об основном законе, выражающем
зависимость Д от log Е
Область экспозиции, представленная прямолинейным участком,
называется „шириной**, или широтой, чувствительности эмульсии.
Рис. 3. Кривая почернения по Хертеру и Дриффильду.
1 — инерция; 2 — ширина; <3 — область соляризации (обращение слоя).
В табл. 2 указана ширина для типичных эмульсий. Из этой
таблицы видно, что наиболее чувствительные эмульсии имеют
и наибольшую ширину.
Таблица 2
Ширина фотографических эмульсий
Фотографическим материал
Ширина — отношение
экспозиций, ограни-
чивающихся прямоли-
нейным участком кри-
вой Д-logS при про-
явлении до макси-
мального контраста
Кинопленки:
крайне быстрые и нормать-
ные...........................
панхроматические ..........
позитивные ................
Пластинки:
обыкновенные..................
ортохроматические .........
панхроматические ..........
репродукционные............
диапозитивные..............i
200
300
50
75
75
75
25
25
443
Эмульсии типа репродукционных и диапозитивных имеют
меньшую ширину. Величина ширины для указанных типов пла-
стинок изменяется в 8 раз. В табл. 2 ширина определена как
отношение значения экспозиции в верхнем конце прямолинейного
участка характеристической кривой Н—D к экспозиции, соответ-
ствующей нижнему загибу кривой. Если эта прямая пересекает
ось абсцисс под углом а, то контрастность проявления у можно
вычислить по формуле:
(2)
Контрастность меняется в зависимости от длительности про-
явления, но стремится к определенному пределу, если время про-
явления увеличивается. Это предельное значение ум и допускает
сравнение между характеристиками и контрастностью эмульсий
различного типа. Значения для различных эмульсий даны в табл. 3.
Нужно заметить, что позитивные кинопленки, диапозитивные
Рис. 4. Кривая, представляющая закон Вебер — Фехнера для
зрительных ощущений
1— освещенность в 2000 раз большая, чем порог зрительного ощущения; 2 — освещенность
комнаты ночью (примерно); 3 — освещенность в комнате днем; 4— освещенность дн°м на
открытом воздухе.
эмульсии и эмульсии репродукционные обладают наибольшей
контрастностью, тогда как быстродействующие эмульсии имеют
контрастность значительно меньшую.
Кривая, приведенная на рис. 4, так называемая кривая Вебер —
Фехнера, представляет зависимость субъективных ощущений глаза
от яркости поля зрения. В некоторых своих участках эта кривая
аналогична характеристическим кривьш H—D. По оси абсцисс
откладывается логарифм яркости поля. Около точки перегиба
кривая приближается к прямой линии.
Величина Д для кривых почернения Н—D и величина субъек-
тивного ощущения для кривой Вебер — Фехнера пропорциональны
логарифму „количества света“. Поэтому ясно, что фотографш.е-
443
ское изображение должно быть сходно с видимым непосредственно
изображаемым предметом. Также делается понятным, почему
может удовлетворительно работать обычного типа ,,fading“-3Kcno-
зиметр.
Таблица 3
Относительная контрастность фотографических эмульсий
Материал Too
Высокочувствительная кино- пленка Средней чувствительности кино- пленка Позитивная кинопленка Обычная ортохроматическая . . . Обычная панхроматическая . . . Обычная не сенсибилизированная Репродукционная Диапозитивная 1.4 1,6 2,7 2,2 2,2 2,2 3,0 3,2
Чувствительность глаза к контрастам определяется наклоном
кривой Вебер —Фехнера; глаз может различить изменение освещен-
ности полей до 2%. Особенно интересно, что при помощи фото-
графии можно увеличить контрастность в 9 раз — в три раза при
фотографировании и в три раза при печатании снимка. Таким
образом, на фотографии можно увидеть некоторые детали объекта,
которые глазом нельзя различить.
Скоростью S почернения фотоматериала по H—D называется
число 34, деленное на инерцию фотопластинки Z, выраженную
в люменах в секунду на квадратный метр эмульсии:
s=-4. (3)
I
Инерция может быть определена графически по кривой рис. 3
и представляет собой величину экспозиции, полученную при пере-
сечении прямолинейного участка характеристических кривых
А/—D с линией Д = 0.
Закон взаимности
Фотофизические и фотохимические процессы, происходящие
на фотографической пластинке в течение экспозиции Е, измеря-
ются величиной Д. Эквивалентная экспозиция при тех же усло-
виях проявления должна давать то же почернение. В большин-
стве случаев (за исключением точной фотографической фотомет-
рии) эффективность экспозиции с достаточной степенью прибли-
444
жения равна произведению интенсивности света /, падающего
на пластинку, на время экспозиции t (т. е. величине световой
энергии).
Таким образом:
(4)
Это — математическое выражение закона взаимности Бунзена
и Роско.
Если требуется большая точность, то равенство (4) можно
заменить более сложным соотношением. Одним из таких соотноше-
ний является закон Шварцшилда (Л. XI, 21), который принял во
внимание различие, получающееся, если эмульсия освещается
короткое время интенсивным светом и если она освещается
длительное время светом малой интенсивности.
Уравнение Шварцшилда имеет вид:
£' = /7р- (5;
На примере позитивной кинопленки можно видеть, когда закон
Бунзена и Роско становится неприемлемым.
В пределах изменения интенсивностей от 1 до 3300 величина
р растет от 0,68 до 1, при чем максимальная интенсивность рав-
няется 131 люменов на м2, а время экспозиции меняется от
18,2 часа до 2,5 X 10-4 сек. Следующим фактором, влияющим на
почернение фотографической пластинки, который следует при-
нимать во внимание для того, чтобы предсказать фотографиче-
ское действие света, является прерывистость освещения. Фото-
графическая эмульсия по разному реагирует на экспозицию,
состоящую из ряда коротких вспышек, и на ту же по величине
экспозицию, но непрерывную. Так, при всех остальных равных
условиях фотографическое почернение уменьшается, если проме-
жутки времени между вспышками растут (Л. XI, 13).
Разрешающая сила
Разрешающая сила фотографической пластинки может быть
измерена числом линий на миллиметр, которые могут быть сфото-
графированы раздельно.
Разрешающая сила колеблется, меняясь приблизительно в 2 раза
для ряда обычных типов фотоматериалов. Для диапозитивных
г.ластинок разрешающая сила равна 100 линиям на 1 мм, а для
быстродействующих кинопленок она бывает наполовину меньше:
только около 50 на 1 мм (см. табл. 4).
Пластинки Шумана
Для спектрографии в ультрафиолетовой области спектра и
Для электронографии в настоящее время повсюду применяют тгк
называемые шумановские пластинки без желатины. Желатина не
445
Таблица I
Разрешающая сила фотографических эмульсий
Материал
Оптимальная раз-
решающая сила
(линии, мм)
Кинопленки:
сверхчувствительная ..........
нормальная .................
панхроматическая .... .
позитивная .................
Пластинки:
обыкновенная не сенсибилизи-
рованная ...................
любительская ортохромати-
ческая .....................
любительская панхроматиче-
ская .................. ..
репродукционная не сенсиби-
лизированная ...........
репродукционная панхромати-
ческая .....................
диапозитивная ........... • .
Шумана (без желатины) . . .
50
55
50
50
65
65
60
S0
75
100
>200
только сильно поглощает коротковолновую радиацию, но, кроме
того, сама флюоресцирует и накладывает свечение флюоресцен-
ции на исследуемый коротковолновый спектр. Шуман пред-
ложил пользоваться эмульсией из чистого бромистого серебра
с ничтожной примесью связующего материала. Такие пластинки
трудно получить готовыми с завода. Это обстоятельство, однако,
не должно смущать наших лабораторных работников. Сам Шуман
еще в 1S01 году дал такое подробное и обстоятельное описание
технологии изготовления пластинок этого рода, что, с одной сто-
роны, воспроизведение их не представляет труда, а с другой,—
;>а сорок лет, протекшие с того времени, не было предложено ника-
кого существенного улучшения разработанного Шуманом рецепта.
Между тем такой авторитет, как Ангерер, утверждает, что
пластинки, изготовленные по этому рецепту, хотя и не могут
сохраняться более 6—8 мес., но зато обладают исключительно
высокой чувствительностью в коротковолновой части спектра,
превосходящей чувствительность обычных диапозитивных пла-
стинок, и не столь склонны к образованию вуали. Поэтому изу-
чить рецепт Шумана весьма полезно.
Сущность его сводится к осаждению из жидкой эмульсии
(путем седиментации) мельчайших зернышек бромистого серебра,
образующего почти коллоидальный раствор. Крупные частицы
удаляют фильтрованием эмульсии. Осаждение коллоидальных
частичек продолжается несколько часов. Ебли крупные частицы
445
не отфильтровать, то эмульсия получается более грубой, но оса-
ждение протекает быстрее (у часа). Для осаждения стеклянные
пластинки, расположенные строго горизонтально, заливают эмуль-
сией, после чего им дают отстояться. Потом эмульсию осторожно
сливают и пластинки сушат, что вследствие крайней тонкости
слоя происходит очень быстро.
Для составления эмульсии берут 9,0 г КВги 4,5 г желатины „Nel-
son 1“ и растворяют в 60 см3 воды в колбе емкостью -у л. Затем
в другой колбе емкостью у л растворяют 11,25 г AgNO3 в 60 см3
воды и спустя 20—30 минут после растворения, в течение кото-
рых желатина разбухнет, оба раствора помещают на водяную
баню с температурой 50—60 С до полного растворения желатины.
После этого раствор ляписа, при интенсивном взбалтывании,,
тонкой струйкой переливают в раствор желатины и прогревают
смесь в течение часа на бане при 60° С. Жидкую эмульсию
осторожно сливают в отдельную чашку так, чтобы сгустки, обра-
зовавшиеся на дне, остались в колбе. Чашку охлаждают (4° С)
льдом в течение 2—3 часов до застывания желатины.
Отвердевшую эмульсию размельчают костяным шпателем
и завязывают в чистую материю. Сверток 2—3 часа промывают
проточной водой при температуре не выше 14° С. Потом его
отжимают, а эмульсию растворяют в колбе емкостью 1,5 л в 959 см3
свеже прокипяченной воды при 55: С. Полученный раствор филь-
труют сквозь чистую шерсть или вату (необходимо избегать
образования пузырьков). Пластины заливают готовой эмульсией
на глубину 3—4 мм. Этот слой можно получить, не опасаясь
стекания желатины, если острые края пластинки зашлифовать.
Поверхность стекла, как обычно, предварительно тщательно про-
мывают азотной кислотой. Чистые пластинки кладут на зер-
кальное стекло, установленное по уровню на штативе высотою
80—100 мм так, чтобы один край пластинки свешивался и позво-
лял потом слить Эмульсию (после осаждения AgBr). Небольшие
пластинки заливают непосредственно из чашки, при чем для
пластинки 9x12 см требуется 25 см3 эмульсии. Политые пла-
стинки накрывают колпаком и выдерживают при 18э С, пока
не осядет сплошной слой (3—4 часа). Сливание желатины в под-
ставленную снизу кювету осуществляется при помощи наклона
пластинки через край зеркального стекла. Желатина стекает с угле?,
и когда большая часть ее успеет стечь, пластину можно (не касаясь
слоя) повернуть вертикально и поставить краем на фильтроваль-
ную бумагу для просушки споем вниз. При высыхании слой
должен быть защищен от попадания на него пыли. Высыхание
Длится от до 4- часа. Нижний край, где скопилась незасохшая
Желатина, вытирают фильтровальной бумагой.
Высушенные пластинки складывают слоем к слою с неболь-
шими прокладками бумаги по краям и завертывают в черн\ю
бумагу. Не следует помещать пластинки в жестяные ящики; их
рекомендуется хранить в деревянных или картонных коробках.
Пластинки имеют зеленоватый молочный вид, и их слой очень
нежен и чувствителен к механическим повреждениям.
Полной чувствительности пластинки достигают только чере*
несколько дней после изготовления (1—2 недели), а наилучшей
плотности почернения даже позже (через* 1—2 месяца). При даль-
нейшем хранении чувствительность падает и появляется вуаль.
По отношению к воздействию химических веществ (паров кислот)
слой получается довольно стойкий.
Для проявления рекомендуется пирогаллоловый проявитель
с содой по Эдеру. Продолжительность проявления без броми-
стого калия 2—3 минуты, с бромистым калием 3—4 минуты, а для
старых пластинок (более 2 месяцев хранения) срок этот больше.
Фиксирование в очень крепком гипосульфите продолжается
несколько секунд, в кислом фиксаже — дольше. Рекомендуется
отфиксированную пластинку ополоснуть свежим фиксажем и потом
промывать в слабой струе воды па весу так, чтобы вода медленно
сбегала по слою с угла на угол. Можно промывать и в сменной
воде. Продолжительность промывания 10—15 мин. для столь
тонких слоев вполне достаточна. Высыхание пластинок протекает
весьма быстро (10—12 минут). Негативы допускают значительное
увеличение (в десятки раз), что обусловливается в значительной
мере не размерами самих зерен, а их плотным расположением
в тонком слое. На пластинках можно получать фотографии спектра
от 180 — 400 ту- и всех видов электронных изображений. В под-
линной работе Шумана содержится много весьма ценных указа-
ний относительно наилучших приемов выполнения всех описан-
ных выше операций.
Описание этого способа изготовления приводится в книге
Ангерера „Научная фотография". Ангерер рекомендует изготовлять
пластинки Шумана с двойным количеством желатины, чтобы
получить слой более прочный, но при этом они перестают быть
пригодными для длин волн короче 190 ту-.
Другой более совершенный способ упрочнения нежного слоя
шумановских пластинок, предложенный Хопфильдом и Анлинярдом.
состоит в том, что вместо чистой стеклянной пластинки слой
эмульсии осаждается сверху на желатину незасвеченной, но
хорошо отфиксированной и промытой пластинки. Желатина под-
ложки адсорбирует его очень плотно даже при минимальном
содержании желатины в самой эмульсии. Изготовление таких
пластинок проще, чем по рецепту Шумана.
Вместо пластинок Шумана можно пользоваться пластинками,
изготовленными по рецепту Дюкло и Жанте из обычных диапози-
тивных пластинок (не сенсибилизированных) путем достаточного
частичного разрушения желатины серной кислотой. Для этого
448
пластинку погружают на некоторое время в серную кислоту,
а потом -% часа промывают. Можно брать от 100 до 300 см3
крепкой химически чистой кислоты на литр воды и выдерживать
пластинку в этом растворе несколько часов, в зависимости от
качества эмульсии. Такие пластинки называются шуманизирован-
ными и рекомендуются Астоном для масспектрографа. Шумани-
зированные пластинки можно сенсибилизировать для различных
участков спектра, включат и далекий инфракрасный.
Источники света
Фотографирование чаще всего производится при помощи
ахроматических объективов. Флинт в этих объективах почти не
пропускает света с длиной волны короче чем X —3300 А.
Кривая пропускания флинта в кинопроекционном объективе, содер-
жащем в своем составе линзу из флинта, представлена на рис. 5.
Рис. 5. Прозрачность кинематографического объектива для разных
длин волн.
Практически пределом пропускания, имеющим значение для оцен-
ки пригодности фотоматериалов, можно считать 3800 А, если
применяются обычные объективы, а количество ультрафиолето-
вого излучения, которое надлежит принимать во внимание, соот-
ветствует обычным источникам света.
Спектральное распределение энергии различных вольфрамовых
ламп накаливания, употребляемых в фотографии, дано на рис. 6.
У них испускание тем слабее, чем меньше длина волны. На этом
же чертеже дано распределение энергии в солнечном спектре;
чтобы было удобнее сравнивать кривые, все интенсивности при-
равнены к 1 при Х = 5600 А.
Цветовые температуры различных источников света приво-
29 Стр лиг лдп
дятся в табл. 5. Очень интересна лампа „фотовспышка". Она осо-
бенно ценна при фотографировании внутри помещения, так как
совершенно безопасна и при вспышке не дает дыма. В то же время
по своим достоинствам она не уступает другим источникам света,
как, например, вольтовой дуге. Эта лампа состоит из грушевид-
ного баллона обычного типа, наполненного кислородом и алюми-
ниевой фольгой.
Фольга зажигается при помощи „запала" или маленькой порции
химической „вспышки" от включения на цоколь лампы напря-
жения в 3 вольта или немного больше. Если две или несколько
Рис. 6. Распределение энергии в зависимости от длины волны
разных вольфрамовых ламп по сравнению с солнцем.
1—солнечный свет; 2—100 еаттн. баллон при 2780° К из стекла А-23;
3—500—1000 взтти. баллон при £000" К; 4—1500 ргттг. баллон из стек па PS-52.
3051° К; 5—100:1 ватт-i. баллон для проектора Т-20 при 3220° К; 6 — спе-
циальная лампа фотофлюд при 118 волы ах и при 3300° К.
таких ламп расположить вплотную рядом друг с другом,
можно прикладывать разность потенциалов лишь к одной из них,
другие лампы вспыхнут при этом сами, „за компанию" (детона-
ция). Эти лампы могут давать свет, соответствующий 22 и 180
тысячам люмен в секунду, в зависимости от их размеров. Свет
450
испускается в течение интервалов времени от до сек. По-
ловина общего излучения испускается в первую долю этого
интервала времени длительностью от до сек.
После того как к цоколю лампы приложено напряжение, про-
межуток времени между моментом, когда сработает запал, и мо-
1
ментом максимального освещения равен сек.
Если вспыхивают несколько ламп вследствие детонации, то
запаздывание последующей вспышки относительно предшествую-
щей равно ™ сек. Максимальная интенсивность света от бал-
лона, по величине соответствующего обычной 75-ваттной воль-
фрамовой лампе накаливания, равна 4-10е—5-10слюмен.
Таблица 5
Цветовые температуры различных источников
света (температуры черного тела, дающего
свет того же самого цвета)
Источник света Цветовая температура °К *
Солнце Небо * . Нернстов штифт Обычная вольфрамовая лампа на- каливания Ла'»па „фотофлюд" Магниевая вспышка . . • . . . Обычная фитильная угольная дуга Лампа „фотовспышка" 5400 25000 2400 2780 до 3000 3500 3800 4000 >5000
Светофильтры
При микрофотографировании, чтобы поглотить те лучи, испу-
скаемые вольтовой угольной дугой, которые вызывают излишнее
нагревание, необходимо применять водяной светофильтр. Для
увеличения поглощения в инфракрасной области спектра обычно
в воде растворяют хлористую медь или медный купорос. Эти
добавки практически не уменьшают прозрачность водяного филь-
тра для желтого, зеленого и синего цвета. Если же требуется,
наоборот, поглотить всю видимую область спектра и пропустить
инфракрасную, можно воспользоваться раствором иода в серо-
углероде или темнокрасным стеклом СК-11 при толщине 3 мм.
Цветные светофильтры, применяемые в фотографии, можно
приготовить в форме растворов или же в форме окрашенных
Желатиновых пленок. Желатиновые пленки можно употреблять
или вставляя их между двумя стеклами, или непосредственно
без всякой оправы. Фильтры без стекол более дешевы, а практи-
29*
451
чески даже более удобны, чем такие же фильтры со стеклами.
Пропускание нескольких желатиновых светофильтров Врат-
тена представлено на рис. 7. Заслуживают внимания фильтры
из целлофана и ацетилцеллюлозы, а также из прозрачных пластмасс
(.плексиглас"), окрашенные различными красителями. Они не
гигроскопичны и химически стойки (см. главу IX).
Прежде чем производить собственно фотографирование, часто
бывает необходимо выполнить несколько предварительных оне-
------------------------------------раций: фокусировку, сен-
сибилизацию эмульсии,
состаривание слоя жела-
тины, расчет времени экс-
позиции и др.
Рассмотрим подробнее
все эти операции.
Фокусировка
Фокусировка может
быть поде бра на, напри-
мер, путем последователь-
ных изменений расстоя-
ний между кассетой и
объективом, перемещая
их относительно друг
друга. Впрочем этот спо-
соб часто оказываете я
неудобным. Например,
при фокусировке астро-
номических телескопов
обычно пользуются мето-
дом ножа (Фуко).
Это выполняется по-
средством специального
приспособления, которым
I—2А;2 —2К h&8;3—О №В; 4— А № 25; 5 —F замеНЯЮТ КЭССбТУ И КО-
№ 29; 6—RKsT); 7— N° ’6 — метилвиолет BBR ; *— J
№17 — хинолин желтый; 9 — №88А —инфракрасный. ТОрое ТЭК уСТрОСПО, ЧТО
в нем есть нож, острие
которого лежит как раз в той же плоскости, где будет распо-
ложена поверхность эмульсии, когда будет вставлена кассета.
Вся камера, как целое, устанавливается так, чтобы от пересе-
чения ножом лучей, образующих изображение звезды, получа-
лось равномерное ослабление света по всей поверхности зеркала
объектива от разных его частей. После этого приспособление с
ножом заменяется кассетой и можно считать, что эмульсия будет
находиться точно в фокусе.
Определение фокуса в спектрографе облегчается наклеива-
нием параллельно щели спектрографа полоски бумаги по дпа-
452
метру объектива или зрительной трубы, или коллиматора. Если
матовое стекло или фо го граф и ческа? пластинка находятся не
в фокусе, то изображение спектральной линии получается двой-
ным.
Для фокусирования в ультрафиолетовой области спектра при-
меняется обычно урановое стекло. Флюоресценция от спектральных
линий ртути на этом стекле видна ярко и отчетливо.
Сенсибилизация
Обыкновенные фотографические пластинки чувствительны
к длинам волн в области от 2400 до 5500 А с максимумом ин-
тенсивности и почернения около 3600 А. Вне этих пределов тре-
буется сенсибилизация. Несмотря на то что сами по себе фотографи-
чески активные зерна эмульсии чувствительны ко всем длинам волн
короче, чем волны видимого спектра, эмульсия делается менее
чувствительной для длин волн меньше 2800 А, вследствие непро-
зрачности желатины, из которой она состоит.
Хотя поглощение желатины для X = 2800 А еще очень незна-
чительно, оно быстро увеличивается для более коротких длин
волн, особенно в пределах X = 2400 А до Х = 2000 А; дчя послед-
них желатина совсем непрозрачна. Шуман первый изготовил
фотографические пластинки, чувствительные к длинам волн мень-
шим 2000 А, использовав очень тонкую эмульсию, почти совсем
не содержащую непрозрачной желатины (см. выше).
Шумановские пластинки ныне употребляются не только для
фотографии ультрафиолетовых спектров, но и в тех случаях,
когда требуется полностью избежать боковых смещений в фото-
чувствительном слое в эмульсии или необходимо уменьшить
боковой рассеянный свет в толще эмульсии.
Чувствительность обычных фотографических пластинок для
длин волн меньших чем 2400 А можно увели шть, сматывая
их флюоресцирующим веществом, например маслом. Тогда чув-
ствительность может возрасти в 400 раз. Для этого несколько
капель орехового масла или какого-либо другого ярко флюорес-
цирующего масла размазывают по поверхности пластинки кусоч-
ком ваты. После экспозиции, перед проявлением, масло следует
смыть ацетоном. Гаррисон (Л. XI, 11) изучал чувствительность таких
смазанных маслом пластинок с помощью сенситометра и нашел
что их можно применять и к фотографической фотометрии.
Для красной и инфракрасной области спектра пластинки
могут быть очувствлены красителями. Приведенная на рис. 8
Диаграмма представляет собой характеристики некоторых пла-
стинок (Л. XI, 16).
Погружением пластинок в нашатырный спирт или в раствор
буры можно добиться их гиперсенсибилизации.
453
Рецепты для этих ванн:
Рецепт гипсрс снс и б и л изатора с аммиаком
Ванна при температуре 10—12" С.
NH4 (уд. в. 0,91 г)... . 2 см3.
Этиловый спирт...... 275 см3.
Дестиллированная вода . 725 см3.
Держать две минуты. Ре полоскать. Сушить как можно скорее, после того,
как жидкость стечет с поверхности.
Рецепт гиперсенсибилизатора с бурой
Ванна при температуре 12й С.
blaCl..............0,5 г.
Бура...............2—3 г.
Дестиллированная вода 1 л.
Держать от 2 до 6 мин. Не полоскать. Сушить в метиловом спирте 1 мин.
После удаления жидкости с поверхности сушить как можно скорее.
нои чувствительности пластинок „Кодак“.
Гиперсенсибилизирующее действие этих ванн значительно
сильнее для менее чувствительных эмульсий, чем для более
чувствительных. Обра-
ботка аммонием должна
увеличить на 100 и да-
же на 400% скорость
экспозиции для види-
мого спектра, тогда как
в инфракрасной обла-
сти спектра скорость
повышается от 500 до
2500%.
Г иперсенсибилизи-
рованные пластинки
быстро покрываются
вуалью при комнатной
температуре. Поэтому
их надо употреблять
сразу же после сенси-
билизации. Однако на
льду они могут сохра-
ниться в течение не-
скольких дней. После
того как они вынуты
из ящика со льдом,
перед употреблением
они должны быть согреты до комнатной температуры, чтобы уда-
лить конденсирующуюся на них воду. Сенсибилизация бурой
считается лучшей для пластинок Агфа, а сенсибилизация амми-
аком— для пластинок Истман.
Фотографические пластинки могут быть гиперсенсибилизиро-
ваны при воздействии на них в течение 36 час. паров ртути при
обычной температуре. Обработка ртутными парами оказывает
154
заметное влияние на пластинку не только перец фотографирова-
нием, но и после него (Л. XI, 3).
Мы видим по характеристическим кривым Н—D, изображен-
ным на рис. 3, что необходима вполне определенная экспозиция
для достижения прямолинейного участка кривой.
Для повышения чувствительности Вуд предложил операцию
предварительного воздействия на пластинки равномерным осве-
щением (Л. XI, 24). Хотя этод метод и позволяет получить для
данной экспозиции большую плотность почернения, но он сопрово-
ждается уменьшением контрастности.
Чтобы избежать эффекта Гершеля, для предварительной
экспозиции следует пользоваться длинами волн иными, чем
длины волн того света, в котором производится фотографирова-
ние. Для того чтобы подробнее ознакомиться со всеми деталями
этого метода, следует обратиться к сведениям, сообщаемым дру-
гими исследователями, работавшими с предварительной экспози-
цией, особенно Уипплом (Л. XI, 20, 22) в связи с спектральными ис-
следованиями звезд и Норманом — по фотографической фото-
метрии.
Сморщивание желатины
На пластинках, предназначенных для фотографирования спек-
тров или для астрономических снимков, от которых требуется
максимальная точность измерения, необходимо перед экспониро-
ванием производить отжиг эмульсии. Желатина может смор-
щиться вследствие натяжений в верхних слоях. Получившиеся
неоднородности делаются заметными при проявлении пластинок.
Соответственно этому положение частиц серебра в проявленном
изображении не совпадает точно с положением частиц серебра,
соответствующих скрытому изображению. Д. Куксей и К. Куксей
наблюдали смещения (сморщивание) частей скрытого изображе-
ния на 9р. (Л. XI, 2).
Эти авторы нашли, однако, что такие смещения можно умень-
шить в четыре раза следующим способом: пластинка со смор-
щенной эмульсией опускается в нейтральный раствор, промы-
вается и затем высушивается при помощи спирта.
Сморщивание желатины часто получается вследствие непра-
вильного процесса сушки. Большие смещения зерен появляются
около пятен сырой желатины, если последняя подвергается нерав-
номерной сушке. Чтобы избежать смещения этого рода, реко-
мендуется после фиксирования для ускорения высыхания погру-
зить пластинку в спиртовую ванну, что обеспечивает более
равномерное удаление воды из всего слоя желатины, чем при
высушивании его только путем испарения воды. Целесообразно
также не производить фотографирование спектров у края пла-
стинки, а отступать на ширину в 1 см, так как сморщивание жела-
тины на краях обычно бывает сильнее.
455
Фотографические пленки вследствие их усадки и набухания
мало пригодны для точной фотографии. Однако в большинстве
случаев влияние на точность отсчетов изменения размеров от-
дельных участков в пленке может быть полностью исключено,
если на той же пленке одновременно с объектом фотографи-
руются система координат (координатная сетка) или, в случае
фотографирования спектров, линии спектра сравнения.
Экспозиция
Обычно экспозиция подбирается такой, чтобы изображение
на пленках и пластинках получилось с надлежащей контрастно-
стью. Вследствие того что обычно градация в изменении освещен-
ности фотографируемого объекта ограничена по сравнению с
Рис. 9. Оценка правильной экспозиции в соответствии
с кривой h — D.
1 —степень освещенности фотографируемого объекта; 2 — недоцержка;
3—нормальная выдержка; 4— передержка.
шириною (см. выше) эмульсии, можно в широких пределах
изменять экспозицию. При этом, пока экспозиция остается в опре-
деленных пределах, плотность почернения может меняться, но
контрастность фотографии остается той же. Иллюстрацией этого
явления может служить рис. 9.
В том случае, когда градация освещенности изменяется в пре-
делах более широких, чем это допускает „ширина" эмульсии,
необходимо тщательно подобрать такую экспозицию, которая
давала бы наибольший контраст в тех участках снимка, которые
представляют наибольший интерес (рис. 10).
Например, если нужно получить особенно контрастными де-
тали предмета, освещенные ярко, тогда следует делать недодерж-
ку; если же важно четко изобразить детали, находящиеся
в тени, экспозиция должна соответствовать передержке.
В фотографии, особенно в художественной, требуется четкое
воспроизведение всех деталей — и ярко освещенных и находящихся
в тени —даже в том случае, если отношение их освещенностей
456
равно 300U и даже 6000, что требует соответствующей максималь-
ной или минимальной экспозиции. Хотя эмульсий, имеющих
такую „ширину“ (см. табл. 2), не существует, пределы освещенно-
сти, охватываемые экспозицией, обычно могут быть значительно
увеличены соединением передержки с недопроявлением. Таким
способом достигается уменьшение контрастности и кажу-
щаяся значительная ширина эмульсии, как это представлено на
рис. 11.
Рис. 10. Экспозиция при фотографировании на солнце (а) и в тени (Z>).
1 н 2 — интервалы степени освещенности.
На этом чертеже видно, что проекция прямолинейной частью
кривой Д-log X, соответствующая 32 мин. проявления, охватывает
область экспозиции в половину меньшую, чем для кривой, со-
ответствующей проявлению в течение 2 мин. Кроме того, области
Рис. 11. Протесе проявления в функции времени по Харди и Перрену.
Стрелкой отмечена точка пересечения характеристик, вычерчен-
ных по Харди и Перрену с осью абсцисс.
экспозиции вне прямолинейного участка не так сильно откло-
няются от прямолинейности на кривой, соответствующей про-
явлению в 2 мин., как на кривой, изображающей проявление
в 32 мин.
С другой стороны, если предмет кажется „плоским", т. е.
457
не имеет резких переходов от света к тени, как, например, песчаная
дюна, то фотограф-профессионал обычно берет камеру наиболь-
ших размеров и получает максимальный контраст при короткой
экспозиции и длительном проявлении. В этом случае необходимо
применение большой камеры, так как длительное проявление
создает такую грубую зернистость почернения, которая не до-
пускает больших увеличений.
Правильную экспозицию можно определить при помощи экс-
позиметра по прилагаемым к нему таблицам и шкалам. Тип экс-
позиметра с селеновым фотоэлементом очень удобен, но имеет
тот существенный недостаток, что его показания соответствуют
среднему освещению, распределенному в большом телесном
угле.
Когда же экспозиция определяется для какого-либо малого
объекта, который резко выделяется на окружающем его фоне
в форме яркого или темного пятна, селеновый экспозиметр следует
поднять к самому объекту непосредственно так, чтобы он запол-
нял собою целиком все поле зрения измерителя.
Таблицы и номограммы, подобные американским номограм-
мам Уелькома, пригодны лишь для грубого определения экспо-
зиции.
Чтобы увеличить вероятность повышенной точности оценки,
необходимо сделать два вспомогательных снимка: один с по-
ловиной экспозиции, а другой с двойной, по сравнению с основ-
ной экспозицией, отсчитанной по номограмме. Такой прием осо-
бенно удобен при фотографировании миниатюрными камерами
(„Лейка"), стоимость пленок которых мала.
Скорость почернения данного фотографического материала
меняется в зависимости от цветовой характеристики освещения,
обусловленной источником света (солнечный свет, световая воль-
това дуга или свет вольфрамовой лампы накаливания). Экспозиция
может быть точно определена только тогда, когда будут учтены
и освещение, и фактор цветности его.
Успех правильного выбора экспозиции поэтому в широких
пределах зависит от опытности фотографа.
Если же приходится иметь дело с необычными условиями
освещения, правильная экспозиция может быть определена толь-
ко опытом, способом проб.
Правильно подобранные экспозиции должны давать на раз-
нородных фотографических материалах одинаково четкие изобра-
жения (Л. XI, 8).
Для этого делается ряд снимков с экспозициями, отличающи-
мися друг от друга в 2, 3 или 5 раз.
Табл. 6 удобна для определения экспозиции. В ней приводятся
умноженные на 106 отношения значений освещенности В к экспози-
ции о, необходимой для того, чтобы дать четкое изображение
при освещении разными источниками света на эмульсиях, название
которых указано в левом столбце (Л. XI, 8). Так как В выра-
158
Таблица 6
Характеристики экспозиции для различных американских фотоэмульсий
при различных источниках света
Источник света Материал Солнце Кратер вольто- вой дуги ВЫСОКОЙ интен- сивности Обычная вольтова дуга 4000° К Вольфрам
3200° К 3000° К 2800° К
Кинопленки наивысшей чувст- вительности 72 000 50 000 16200 1570 800 400
Кинопленки средней чувстви- тельности 36000 25 000 8100 780 400 200
Позитивная кинопленка . . . 3600 2500 820 76 39 20
Бромосеребряная бумага . . . 180 125 41 3,8 2 1
жено в свечах на квадратный сантиметр, а о в люмен-секундах на
в
квадратный сантиметр, то отношение — имеет размерность, рав-
ную единице, деленной на телесный угол X секунды. Если про-
в
изведение величины— на телесный угол освещающего пластинку
светового конуса (отверстие объектива со стороны пластинки)
и на время экспозиции окажется равным или большим единицы,
то может получиться четкое изображение.
Величина-у часто бывает нужна при проектировании самопис-
цев для определения максимальной скорости v движения свето-
вого зайчика по эмульсии, при которой он может дать заметную
черту.
Рассмотрим какую-либо систему самописца, например реги-
стрирующий гальванометр.
Во-первых, мы должны задаться временем экспозиции и телес-
ным углом зайчика. Если ширина зайчика равна б/, тогда дробь
и
определит время полной экспозиции для таких участков по-
верхности эмульсии, по которым пробегает зайчик. Телесный
угол освещающего их светового конуса можно определить сле-
дующим образом.
Случай 1. Когда ограничивающей световой поток диа-
фрагмой служит само зеркальце гальванометра с площадью Д
а свет фокусируется на фотографический слой при помощи сфе-
рической линзы, расположенной непосредственно перед гальвано-
459
Mei ром, телесный угол равен у-2, где fx — расстояние эмульсии
от линзы.
Случай 2. Когда используется астигматическая оптическая
система, в которой ширина зеркала гальванометра w ограни-
чивает световой поток только с боков, а диафрагмой, ограни-
чивающей его сверху и снизу, является высота h цилиндриче-
ского зеркала (или линзы), телесный угол светового потока будет
равен ~ X -г-, где А — расстояние фоточувствительного слоя от
Jl J2
сферической или цилиндрической линзы около зеркала гальвано-
метра и/2— расстояние светочувствительного слоя от ближайшей
цилиндрической линзы (или зеркала) (рис. 47, глава IX, стр. 386).
Соответственно этому для случая 1 условия получения четкой
записи могут быть представлены следующей формулой:
a v ' b
а для случая 2 эти условия:
В w h d
° ’ /1 ’ 77 * v =
Проявление
Проявление — это превращение полученного на пластинке скры-
того изображения, обусловленного различием в освещенности
отдельных участков эмульсии в течение экспозиции, в видимое.
Иногда, например, для моментальных снимков передача кон-
трастности изображения может считаться нормальной тогда, когда
позитивный отпечаток верно отображает оригинал. Изменением
условий проявления можно однако получить на отпечатке и мень-
шую и большую контрастность.
Процесс проявления изучен еще недостаточно. Рассмотрим
поэтому лишь элементарно явления, происходящие при проявле-
нии. Зерна бромистого серебра, подвергнутые освещению, под
действием проявителя восстанавливаются в металлическое серебро;
зерна, недостаточно освещенные, восстанавливаются значительно
медленнее. Проявитель должен поэтому в конце концов восстано-
вить все зерна. При восстановлении недоэкспонированных зерен пла-
стинка покрывается так называемой химической вуалью. Процесс
проявления с течением времени представлен на рис. И. Различ-
ные характеристические кривые соответствуют серии экспозиций
для пяти отдельных пластинок. Каждая из этих пластинок про-
> влилась разное времт, а именно: 2, 4, 8, 16 и 32 мин. Кон-
трастность изображения растет со временем проявления. Вначале
увеличение контрастности проходит быстро. Например, за 2 мин.
460
контрастность эмульсии, представленной на рис. И, увеличивается
от 0,32 при t — 2 мин. до 0,58 при t ~ 4 мин., за это время
увеличение контрастности равно 0,26. Дальше относительное
увеличение контрастности еще падает. Например, для 16 мин.
контрастность увеличивается на 0,3 —от 1,4 при 16 мин. до 1,7
при / — 32 мин.
Для очень длительного проявления контрастность прибли-
жается к своему пределу . Мы уже ссылались на этот параметр
и для различных фотографических материалов представили его
в табл. 3.
Кривые Н—D обладают интересной геометрической особен-
ностью, наглядно представленной на рис. 11.
Экстраполированные прямолинейные участки кривых сходятся
в одной точке на линии Д = 0.
Проявители обычно составляются из четырех компонентов:
1. Восстановитель серебра — метол (элон), пирогаллол, глицин,
амидол или гидрохинон и др.
2. Щелочной ускоритель — едкий натр, сода или бура.
3. Предохранитель от окисления — сернистокислый или дву-
сернистокислый натрий.
4. Замедлитель — бромистый калий.
Большинство проявляющих веществ оказывает свое проявляю-
щее действие только в щелочной среде, при чем скорость прояв-
ления растет пропорционально концентрации щелочного ускори-
теля.
Растворенный в щелочной среде кислород окисляет восстана-
вливающее вещество. В случае пирогаллола это окисление неже-
лательно, так как при этом появляется желтый налет, загрязняю-
щий эмульсию. Окисление это предупреждается прибавлением
к проявителю сульфита натрия. Это вещество реагирует с рас-
творенным кислородом, которым окисляется пирогаллол. Роль за-
медлителя обычно играет бромистый калий, который снижает
вышеупомянутую точку пересечения прямолинейных участков
характеристических кривых под ось Д = 0; в то же время бро-
мистый калий как бы ограничивает проявление областью коротких
экспозиций.
Малые количества бромистого калия, которые недостаточны
для того, чтобы сильно понизить точку пересечения, могут
однако настолько замедлить проявление, чтобы задержать по-
явление нежелательной химической вуали на пластинке, не
влияя на качество работы проявителя.
Имеются два основных типа проявления: 1) с учетом времени
и температуры, так называемое медленное или автоматическое
проявление в баке и 2) ступенчатое проявление в кюветах при
контроле плотности на глаз.
При осуществлении первого метода пластинку опускают в бак
с проявителем на заранее рассчитанное время. Это время опреде-
461
ляется качеством эмульсии, степенью контрастности, которую нуж-
но получить, а также типом, концентрацией, степенью свежести
и температурой проявителя.
При осуществлении второго метода время проявления опре-
деляется в процессе проявления. Для того чтобы можно было
следить за проявлением панхроматических эмульсий, необходимо
их десенсибилизировать. Окончание проявления определяется или
по достигнутой плотности или путем расчета на основании опре-
деления того времени, которое оказалось для данного снимка
необходимым для появления первых видимых следов изображения.
Время и температура проявления
Скорость проявления, как и всякой химической реакции, ра-
стет с температурой. В химии есть практическое правило (не
очень жесткое), утверждающее, что скорость реакции возрастает
вдвое при возрастании температуры на 10е.
Однако, например, для проявителя „пиро-сода“ это возра-
стание равно лишь 1,5.
Для различных проявителей можно составить таблицы вре-
мени и температуры. Однако чтобы получить хорошую контра-
стность без вуали и без образования зернистости, необходимо
проявлять при температуре проявителя, точно соответствующей
указанной для него в рецепте. Особенно важно точно опреде-
лять температуры для проявителей, содержащих метол и гидро-
хинон, для того чтобы получить одновременное и пропор-
циональное действие каждого из этих восстановителей. Метол
имеет низкий температурный коэфициент, а гидрохинон —
высокий.
Практически из этого различия можно извлечь следующую
выгоду: используя теплый метол-гидрохиноповый проявитель,
можно получить контрастность одной степени, а применяя хо-
лодный—другую степень контрастности. Однако этот способ не
может быть рекомендован. Он, в качестве примера, может лишь
иллюстрировать изложенные выше рассуждения.
Обычно проявители приготовляют в больших количествах
в виде стандартных растворов, состав которых указан в табл. 7.
Эти растворы смешивают перед употреблением по мере необхо-
димости в определенных пропорциях согласно табл. 8 Д. Мак-
Морриса. Таким образом, проявитель расходуется экономно
и рационально.
Растворы С, D, Е и F долго не портятся. Их следует приго-
товлять и хранить в больших бутылях. Растворы Л и В менее
устойчивы, поэтому их надо хранить в маленьких плотно закупо-
ренных бутылях, чтобы не было доступа воздуха к прояви-
телю.
462
Таблица 7
Стандартные растворы для составления различных проявителей
А в
Метол или Безводный натрий Вода • . . ЭЛОН сернистокислый 2,5 г 18 г 200 см3 Гидрохинон 6,7 г' Безводный сернистокислын натрий 12 г! Вода 200см:: i
С 1 D
Безводная углекислая сода . Вода . 400 г . 2 л Бромистый калий .... Вода ..Юг . 100 см3
Е i F
Безводный натрий . Вода . . . сернистокислый 400 г 2 л Бура Вода . 10 г . 250 см3
Для приготовления раствора нужно употреблять дестиллиро-
ванную воду. Составные части раствора следует растворять в том
порядке, как это указано в таблице.
Таблица 8
Рецепты сложных проявителей, составленных из стандартных
растворов табл. 7
Эмульсии Растворы
А в| С D Е F
Контрастные пластинки D-28 . . 34 25 24,5 3,5 0 0
Растровые пластинки D-11 .... 8 27 12,5 5 26 0
Мелкозернистые пластинки D-76 . 16 15 0 0 38,5 5
0-72 (бумага хлорожелатиновая). . 25 37,5 34 2 0 0
D-72 (бумага бротюжелатиновая). . 10 15 13,5 0,8 0 0
Цифры ука?:ывают пропорции взятых по объему крепких
стандартных растворов. Их смешивают из составных частей в по-
рядке от А до F. Затем добавляют воду до получения по объему
полного числа частей равного 100. Для первых трех проявителей
температура должна быть 18э, для бумаги 2Г С.
453
Проявители другого состава, подобные проявителю третьей
строки табл. 8, дают мелкое зерно, но требуют передержек.
Так называемые автоматические или универсальные проявители
типа проявителя Эдваля 12 тоже дают мелкое зерно, но не тре-
буют передержек. Универсальные проявители были разработаны
вначале для работы с миниатюрными камерами типа „Лейка", но
недавно они получили применение и в астрономии (Л. XI, 17).
Даем состав проявителей Сиза 3 и Эдваля 12.
Рецепт проявителя Сиза 3
(для удвоенной нормальной экспозиции)
Сернистокислый натрий безводный . ... 90 г
Пар;:ф знилеидиамин....................10 “
Глицин.................................6 “
Дестиллиро! энная юта..................1л
Время проявления: 30 мин. при 18° С
При тщательном регулировп ии экспозиции и температуры
проявителя могут быть получены такие негативы, которые можно
увеличивать в 50 раз и больше.
Рецепт проявителя Эдваля 12
(для нормальной экспозиции)
Сернистохислый натрий безводный . . . . 90 г
Парафенилен тиамин..................• 10 “
Глицин..................................5 “
Метол...................................6 “
Вода •...............•..............• • 1л
Время проявления: 12— 18 мин. при 18° С .
Этот проявитель хорошо сохраняется и дает более мелкое
зерно после того, как он постоит 1 или 2 мес. Мелкозерни-
стость получается лучше от проявителя, уже бывшего в употреб-
лении.
Рис. 12. Принадлежтости для медленного проявления.
1 —крышка, облитая парафином (г'унуть н-чсолько р’З в расплавленный
парафин); 2 — бзн,га аккумуляторная для проявителя (14) Х150 X ГЮ); 3 —
деревянный пинцет: а —проявитель; б — споласкивание; в — фиксаж.
464
Чтобы получать более мелкие зерна и избежать отслаивания
желатины, рекомендуется поддерживать одинаковой темпера-
туру проявителя, воды для прополаскивания пластинки, фиксажа
и, наконец, воды для промывания. Колебание температуры допу-
стимо лишь в пределах ± 1СС.
Большой плотности почернения не следует добиваться на плен-
ках или пластинках, которые должны потом печататься на бумаге.
Поэтому во время проявления рекомендуется обращать внимание
не на среднюю плотность почернения, а добиваться наилучшей
контрастности снимка.
На рис. 12 изображены предметы, необходимые при проявле-
нии. Парафиновые крышки предохраняют проявитель от окисле-
ния и испарения.
Проявление в кювете
Для эмульсии, опущенной в проявитель, время, необходимое
для появления первых признаков изображения, пропорционально
полному ее проявлению. Следовательно, по времени, которое
нужно для того, чтобы изображение только начало появляться,
можно определить время общего проявления. Этот прием особенно
полезен в тех случаях, если концентрации химических веществ
в проявителе несколько отличны от концентраций, указанных в ре-
цептах. Иным способом при этом правильно определить время
проявления было бы нельзя. Отношение времени, необходимого
для почного проявления, ко времени, требуемому для начала по-
явления изображения, является характеристикой проявителя и на-
зывается множителем, или фактором, Уоткинса. Для проявителей,
содержащих два восстанавливающих вещества, например, для ме-
толгидрохинонового проявителя, этот множитель меняется с тем-
пературой.
Для многих других проявителей с одним восстановителем он
остается постоянным как для высоких, так и для низких темпера-
тур, а также для небольших изменений в составе проявителя.
Множители Уоткинса приведены в табл. 9.
Таблица 9
Множители Уоткинса
Проявитель Множитель Уоткинса
малая контраст- ность нормаль- ная кон- трастность высокая контраст- ность
Пиро-сода 4 6 7
Глицин 8 10 12
Гидрохинон 6 9 10
Метол . 10 12 15
Мстолгидрохинон 10 12 15
__
«О Стронг
46э
Если необходимо добиться высокой контрастности и при этом
условия работы допускают наблюдение за проявлением, следует
проявлять в проявителе D-28 или D-J.1 до тех пор, пока,
изображение не появится на обратной стороне эмульсии. Это
правило в особенности применимо для хороших диапозитивов
и спектрограмм.
При проявлениях в кювете на пластинке часто появляется
вуаль. Это происходит оттого, что пластинка, смоченная проявите-
лем, соприкасается с воздухом. Прибавление в свежий раствор про-
явителя 5° о старого проявителя, содержащего бром в большем
количестве, чем новый, оказывает отрицательное каталитическое
действие на эту вуаль. Металлическое олово, медь, цинк и их
сплавы в соединении с проявителем, в котором находится эмуль-
сия, часто дают вуаль и окраску на ней. Поэтому запрещается
проявление в латунных кюветах или в кюветах из сплавов ука-
занных металлов.
Пластинки для работ по фотометрии па то проявлять только
в глубокой кювете, и во время проявления по пластинке должна
непрерывно скользить кисточка из верблюжьего волоса. Таким
способом ускоряется конвекция проявителя вблизи эмульсии, и
процесс проявления и щт равномернее. Во время проявления в тех
частях эмульсии, где имеются наибольшие почернения, выде-
ляются бромистые соединения, и хотя их и удаляют при помощи
кисточки, однако они все же замедляют проявление не только
в тех местах, где они выделяются, но и в соседних частях
эмульсии.
Пластинки и пленки необходимо брать во время работы лишь
за их края, концы и углы. Ни в коем случае пальцы не должны
соприкасаться с рабочей поверхностью эмульсии. Иногда реко-
мендуется применять резиновые перчатки. Особо ценные пластинки
перед проявлением следует смочить водой, чтобы при заливании
проявителем он начал бы действовать более равномерно.
Десенсибилизация
Панхроматические эмульсии обычно проявляют в полной тем-
ноте. Однако Лупо-Крамер открыл десенсибилизирующее дей-
ствие феносафранина на неэкспонированные зерна эмульсии. При
помощи такой десенсибилизации оказалось возможным проявле-
ние панхроматических эмульсий при безвредном зеленом свете,
по крайней мере в течение последних стадий проявления. Изби-
рательное десенсибилизирующее действие этого красителя па зерна
неэкспонированного бромистого серебра совершенно удивительно;
процесс проявления идет одинаково при включенном зеленом
свете и без него. Перед проявлением пластинку в совершенной
темноте надо в течение 2 мин. выдержать в ванне из десенсибили-
зирующего раствора (1 часть основного раствора, состоящего из
466
0,5 г феносафранина на 1 л дестиллированной воды, разводится
в’ 10 частях воды).
Зеленый пинакриптол,прибавляемый иногда к проявителю, тоже
играет роль десенсибилизирующего агента. Основной раствор erQ
состоит из одной части красителя в 500 частях дестиллированной
воды; 2—3 см3 этого раствора прибавляют к 100 см3 прояви-
теля (Л. XI, 18).
Фиксирование
После проявления и промывания пластинку или пленку опу-
скают в 20-процептный раствор гипосульфита.
Гипосульфит растворяет непроявленные зерна бромистого
серебра. Если на пластинке, опущенной в фиксаж, имеются следы
проявителя и в фиксаже нет предохраняющего вещества, то
на пластинке появляется окраска, которая происходит вследствие
окисления частиц проявителя. Чтобы избавиться от этой окраски,
в фиксаж к гипосульфиту прибавляют для предохранения от
окисления сульфит натрия. Также рекомендуется прибавлять сла-
бую кислоту, чтобы нейтрализовать щелочной раствор. Кислота,
кроме того, быстро останавливает процесс проявления. Фиксирую-
щий раствор может содержать также и дубящие вещества, на-
пример калиевые или хромовые квасцы (или формалин). Эти
дубители уплотняют желатину эмульсии, предохраняя ее от раз-
мягчения при набухании, делая ее менее „растворимой* в воде.
Для того чтобы быстро останавливать проявление и не вводить
кислоту в гипосульфит, применяют отдельный предварительный
останавливающий раствор. Пластинки опускают в него тотчас же
после проявления, перед фиксированием.
Останавливающим раствор
Вода . •.............................................. 1000 с№
Уксусная кислота, 28", (|.........................• • 48 см"
Этот раствор надо приготовлять перед употреблением, при
чем применять можно только свежий раствор. Пластинка должна
лежать в нем около 5 минут.
Особенно следует рекомендовать фиксаж Истмена.
Рецепт кислого фиксирующего и дубящего
раствора Истмена F-5
Вода при 52е С......................................... 600 см8
Кристаллический гипосульфит.............................. 240 г
Сульфит натрия (безводный)...............................15 г
Уксусная кислота, 28о/0 ... • •........................47 см"
Борная кислота.............................•..............7,5 г
Калиевые квасцы......................................... . 15г
Воты долить до .......................................... 1л
30*
467
Химические вещества, входящие в этот рецепт, надо рас-
творять в указанном порядке. Для того чтобы получить наилуч-
шие результаты, следует приготовлять каждый раз свежий
раствор. Продолжительность фиксирования пластинки должна
быть вдвое больше того времени, которое нужно, чтобы пла-
стинка стала совсем прозрачной. Если фиксаж с кислотой, то
через несколько секунд после погружения пластинки в кювету
может быть включен белый свет.
Обычная, не подвергнутая „дублению" желатина расплав-
ляется в воде при 40еС. Нормальное дубление в фиксаже с квас-
цами повышает температуру плавления эмульсии до 55 и 75СС.
Для усиления дубления применяют формалин. Достаточно подей-
ствовать пятипроцентным формалином в течение одной минуты,
чтобы сделать желатину нерасплавляющейся даже в кипящей
воде. В кислых растворах формалин обычно не действует.
Рекомендуется следующий рецепт Истмена.
Дубящий раствор формалина
4Оо/о раствор формальдегида..........................10 см3
Сода (безволная).................................... 5 г
Вода..........................................• • 1000 см3
Промывание и сушка
Необходимо тщательно удалять остатки фиксажа посредством
промывания. В табл. 10 приведены значения минимального вре-
мени, необходимого для промывания различных эмульсий, при
чем поверхность эмульсии непрерывно поливается свежей
водой — промывание происходит под краном. Если же эмуль-
сию промывают в кювете, в неподвижной воде, диффузия частичек
фиксажа из эмульсии происходит значительно медленнее. Рабо-
чим правилом можно считать, что время промывания эмульсий
в кювете не должно быть меньше времени, необходимого для
промывания пластинки под краном, плюс время, необходимое
для тщательного мытья кюветы. Последняя же величина равна
тому времени, которое необходимо, чтобы отмыть кювету от сильно
окрашенного раствора чернил.
Таблица 10
Время промывания для различных эмульсий
Эмульсия
Время,
в мин.
Диапозитивные пластинки ........
Высокочувствительная негативная
эмульсия ....................
Хлоросеребряная бумага .........
Бромосеребряная бумага........
3
7
15 — 20
20 —сО
468
Скорость промывания не зависит от температуры, а также
не должна меняться от того, дубилась ли эмульсия или нет, если
только она не подвергалась уже высушиванию. В конце про-
мывания рекомендуется тщательно ополоснуть пластинку в дестил-
лированной воде. На рис. 13 изображены различные методы про-
мывания пластинок, пленок и фотобумаги.
Рис. 13. Промывание п.асгинок и бумажных отпечатков.
А — промыватель'каскадный для бумажных отпечатков: 1—металлические
противни; 2 — деревянный каркас; 3 — полоски из металлической сетки
для облегчения попадания воды из верхнего противня в следующий (на-
правляют струи внутри); 4—стэк воды.
Б — промывательный бак для пластинок: 5—подводка воды из водопро-
вода; 6 — перегородка, направляющая воду из крайнего отделения на
пластинки сверху; 7 — промываемые пластинки; 8 — ребристая жестянка
для вставления пластинок; 9 — жестяные прокладки, поддерживающие
пластинки на некоторой высоте над дном; 10—перегородка, обеспечиваю-
щая сток воды только снизу от пластинок; 11—сточная трубка.
Сушку пластинок и пленок обычно производят потоком очи-
щенного от пыли воздуха. Воздух этот должен быть слегка
подогрет, так как при быстром испарении воды эмульсия сильно
охлаждается.
Аппарат для сушки пластинок изображен на pnc.j 14.
Кабинка для сушки бумаги и пленок изображена на рис. 15
Сухая эмульсия на негативе имеет толщину около 0,012 мм
469
и .содержит обычно от 8 до 16<’/0 влаги. В разбухшем состоя-
нии она оказывается в 5 или в 7 раз толще. Разбухание жела-
тины приводит к неоднородности ее в направлении перпенди
кулярном стеклу, в котором и происходит набухание. Даже
если . желатина ничем не укреплена на стекле по сторонам.
Рис. 14. Сушилка для пластинок.
1 — вентиляционные отверстия; 2 —подставка для пластинок с пропилами;
3 — вентилятор для сушки волос (..фен“); 4 — откидная стенка; 5 — промас-
ленная плотная обойная материя для улавливания пыли.
Рис. 15. Сушилка для отпечатков на бумаге и фильмов.
1—футляр; 2—большие отверстия, заклеенные плотной материей;
3—бельевые щипчики, нанизанные на толстую проволоку; 4—отпе-
чатки высушиваемые; .3—пропускная бумага в несколько слоев.
разбухание происходит главным образом в этом одном направ-
лении без сдвигов в стороны. Однако, если слой эмульсии
высыхает неравномерно, зерна серебра могут получить боковые
смещения. Первыми высыхают края пластинки. На протяжении
1 см от края обычно возникают нежелательные натяжения. Капли
воды и вода, скопляющаяся около пылинок на поверхности
эмульсии, тоже могут вызвать в эмульсии боковые натяжения.
Чтобы избежать этого, эмульсию, перед тем как ее сушить,
полезно протереть или плотным влажным тампоном ваты, или
замшей, или губкой из целлюлозы. Отдельные круглые пятна
можно удалить с пластинок и пленок больших размеров
с помощью щетки, которую обычно применяют для стирания
капель с ветрозащитного стекла автомобиля. Пластинки можно
подсушить 80-процентным раствором спирта. В этом случае де-
фекты на слое, образующиеся под влиянием капель воды и части-
чек пыли, исключаются. Спирт испаряется с поверхности эмульсии
при помощи потока влажного воздуха. Если спирт или воздух
очень сухи, влага удаляется из толщи желатины слишком быстро,
и поверхность пересушенной желатины получает беловатый отте-
нок. Для того чтобы уничтожить этот молочный налет на эмульсии
и вместе с тем повысить содержание влаги в желатине, надо только
немного подышать на пластинку.
Ускоренный метод фотографирования спектров
в спектральном анализе1
Пластинку обрабатывают полностью в течение 3—4 мин.,
при чем для проявления требуется всего лишь 10 — 25 сек.,
а наибольшее время требуется для фиксирования и сушки; реко-
мендуется пользоваться преимущественно тонкослойными эмуль-
сиями, для которых и фиксирование и сушка идут быстрее.
Ошибки определения плотности пластинки, которые могут быть
замечены при фотографировании, при ускоренном проявлении
оказываются несколько больше, чем при обычном. Однако
в большинстве случаев эти ошибки мало сказываются на резуль-
татах анализа.
Критерием качества проявления может служить незасвеченная
и проявленная пластинка. Такая пластинка не должна иметь ни
пятен, ни вуали.
При проявлении пластинку на до держать щипцами и кюветх
ставить косо таким образом, чтобы при опускании в нее пла-
стинка смачивалась равномерно.
’Заимствовано из статьи X. Кайзера и Л. Мюллера, Zess-Nachriebten, 1940,
Н 7, S. 210. Прим. ped.
471
Проявление
А. Проявитель в одном растворе
60 г КОН
30 г гидрохинона
25 г Na2SO3
20 см3 раствора феносафранина в воде 1:1000
f=18 — 20° С, длительность 15—25 сек.
Промывание под сильным потоком воды в продолжение 5—10 сек.
В. Проявитель в двух растворах
Пластинки обрабатывают последовательно двумя растворами (первым в тем-
ноте, вторым при слабом зеленом освещении).
1 раствор:
5Э г гидрохинона с 1000 см3 дестиляпопаиной воды
20 см3 раствора фепосафранина 1:1000
t = 26°; продолжительность обработки 7—8 сек.; не промывать (!!)
2 раствор:
300 г КОН с 1000 см3 дестиллированной воды.
Продолжительность обработки 2 сек. (в этом растворе появляется изобра-
жение).
Промывать под сильным потоком воды в течение 5—10 сек.
Фиксирование
400 г тиосульфата натрия
20 г бисульфита натрия
1030 см3 воды.
Продолжительность фиксирования 1—2 мин. Время фиксирования можно
снизить увеличением температуры ванны (пластинка фиксируется 60 сек. при
/=18° С и 30 сек. при f = 30°C). Следует иметь ввиду, что свежий фиксаж
медленнее работает, чем фиксаж, уже бывший в употреблении.
Закрепление эмульсии (дубление)
Раствор формалина 1:15
Сода 25 г в 1000 см3
Продолжительность 5—10 сек.
Дубить необходимо при пользовании проявителем в одном растворе.
Промывание
В сильном потоке воды за 10 сек.
Сушка
Поверхность пластинки обтирают мягкой безволокнистой губкой и ставят
под поток горячего воздуха. При этом перед засасывающими воздух отвер-
стиями помешают фильтр для пыли, например батистовый платок.
Проявлять в одном растворе (А) наиболее удобно и просто.
Ему мы отдаем предпочтение, несмотря на то, что продолжи-
тельность его на несколько секунд больше. Для получения одно-
значных результатов температуру ванн и время действия раствора
необходимо поддерживать строго постоянными. Короткие проме-
жутки времени можно измерять при помощи метронома.
472
Особенно внимательно нужно следить за тем, чтобы пластинка
перед фиксированием тщательно промывалась. В противном случае
образуется цветная вуаль. С другой стороны, долго промывать
тоже нельзя. Для большинства сортов пластинок их рекомендуется
промывать перед фиксированием в холодном двухпроцентном
растворе уксусной кислоты. Если после фотометрирования пла-
стинки должны долго сохраняться, то необходимо их еще раз
тщательно промыть в холодной воде.
Печатание негативов
Отпечатки с негативов обычно получают на аристотипной
бумаге, на бумаге малой светочувствительности с проявлением
и на бромосеребряной бумаге высокой чувствительности.
Аристотипная бумага экспонируется наложением ее на негатив
в рамке прямо на свету до тех пор, пока не получится достаточно
плотное изображение, а затем фиксируется с золотом или с пла-
тиной.
Хлоросеребряная бумага (gaslight) короткое время подвер-
гается экспозиции при искусственном свете, а затем проявляется
каким-нибудь обычным химическим проявителем. С бумагой этого
рода можно работать даже в слабо освещенной комнате без
красной лампы. Бромосеребряная бумага требует работы в полной
темноте или при неактиничном освещении (красном или желтом)
так же, как и обычные несенсибилизированные пластинки. Хлоро-
и бромосеребряные бумаги для нас наиболее ценны. Поэтому^мы
их здесь рассмотрим подробнее.
Плотность почернения бумаги в отраженных лучах опреде-
ляется следующим равенством:
<б>
где Я — диффузная отражательная способность бумаги.
На рис. 16 и 17 изображены характеристические кривые для
8
Экспозиция о люменйх на м2 д секунду
Рис. 16. Кривые H — D для хлоросеребряных бумаг по Харди и Перрену.
473
хлоросеребряных бумаг, предназначенных для контактного печа-
тания, и бромосеребряных — для печатания с увеличением. По осн
ординат откладывается величина Д, а по оси абсцисс — логарифмы
экспозиции.
Эти кривые показывают, что контрастность этих бумаг или
наклон прямолинейных участков кривых по отношению к оси
абсцисс мало изменяется с изменением времени проявления. В этом
случае контрастность является более существенным свойством
самой эмульсии, чем в случае пластинок или пленок, у которых
она меняется со временем проявления. Фотобумага выпускается
различных сортов, каждый из которых облагает определенными
марками контрастности, что позволяет подобрать бумагу нужной
контрастности. Приемы экспозиции и проявления для бумаги отлич-
ны от тех, которые применяют для пластинок и пленок. Для пласти-
нок и пленок является существенным добиться необходимой контра-
стности снимка, чтобы выявились все детали, а получение значитель-
ной плотности почернения — несущественно. Для бумаги же, наобо-
рот, важно получение достаточных плотностей почернения. Напри-
мер, для бромосеребряной бумаги необходимо так подобрать экс-
Рис 17. Кривые H—D для бромосеребряной бумаги по Харди и Перрену.
позицию, чтобы проявление в течение трех минут могло бы обес-
печить требуемую плотность почернения. Проявление в течешь
трех минут обеспечивает, как это в in но из сравнения кривых
рис. 17, лучшую контрастность, чем проявление в течение двух
минут, обычно рекомендуемое при потолочном искусственном
п „ 1А люмен сек\н1
освещении. Для ооласти экспозиции меньшей, чем 10---------«—»
мг
можно заметить, что наклон кривой Н—D, соответствующий
трехминутному проявлению, несколько больше наклона кривой для
проявления в две минуты.
Правильная экспозиция обычно подбирается на опыте с по-
мощью проб на маленьких кусочках бумаги. Если экспозиция
подобрана правильно, то часть кусочка бумаги, которая подверг-
474
лась освещению потолочным светом, будет обнаруживать ровное
тонкое потемнение, резко отличающееся от светлой неэкспониро-
ванной части. Обычная ошибка в обработке бумаги состоит в пере-
держке и недопроявлении. Никогда нельзя, проявлять
отпечатки меньше, чем в течение двух минут.
В табл. И представлены ориентировочные чувствительности различ-
ных бумаг. В ней экспозиции указаны лишь для одного тина бумаги,
а для других типов их можно определить путем соответствующего
пересчета. Точно указать эти цифры нельзя вследствие колебаний
в технологическом процессе производства бумаги, и они могут
лишь качественно характеризовать ее. Данные этой таблицы не-
посредственно применять в работе ни в коем случае нельзя.
Таблица 11
Относительные экспозиции для различных бумаг
Бумага Мягкая Средняя Контрастная
Бромосеребряная 1*'з 2 5
Хлоросеребряная 200 300 400
Если во время проявления некоторые участки отпечатка про-
являются слишком медленно, хотя бы вследствие того, что соот-
ветствующая часть негатива оказывается черезчур плотной, можно
ускорить проявление их протиранием кусочком ваты, смоченной
теплой водой, или просто пальцем.
Некоторые органические проявители, особенно амидол, ядо-
виты. Восприимчивость к отравлению ими у разных людей разная,
поэтому необходимо применять деревянные щипчики для того,
чтобы при проявлении не касаться
руками проявителя (рис. 12).
Во время проявления кювету
с проявителем следует покачивать
или передвигать отпечаток в кю-
вете. При этом нужно тщательно
следить, чтобы деревянные щипчи-
ки не коснулись кислоты в задер-
живающем растворе или гипосуль-
фита в фиксаже; эти химические
вещества полностью портят про-
явитель. „ п
Рис. Ь. Расправление отпечатков.
Отпечатки промывают в каскад-
ных кюветах, как это показано на
рис. 13. Как только фиксирование отпечатка закончено,
его кладут в нижнюю кювету. Перед этим следует вынуть из
верхней кюветы лежащий там и уже промытый отпечаток, а на
его место положить из следующей кюветы снизу другой отпеча-
ток. Таким образом, все отпечатки перемещаются на одну кювету
475
вверх, освобождая верхнее место. После промывания отпечатки
помещают эмульсией вниз на толстый слой редкой чистой мате-
рии (марли) для сушки. Как только снимок высыхает, его рас-
правляют, сгибая по диагонали на ребро, как это показано на
рис. 18, чтобы уничтожить складки на бумаге. После этого отпеча-
ток можно уже наклеивать на картон. Хорошо, если бы можно было
положить его на некоторое время под тяжелую стопу книг или
журналов, чтобы разгладить окончательно.
Глянцевитые отпечатки высушивают, плотно прижав (резиновым
катком) слоем к поверхности эмалевой пластинки; для того чтобы
отпечатки не могли к ней прочно прилипнуть, ее протирают рас-
6
Рис. 19. Оптическая схема для увеличения фотоснимков.
А — повышение контрастности отпечатков. Б — понижение контрастности отпечатков.
1—лампа; 2— конденсор, дающий изображение источника света на
объектив; 3 — негатив; 4 — объектив; 5 — диафрагма; 6— увеличенный отпе-
чаток; 7 — молочное илн матовое стекло.
твором парафина или церезина в бензине. Этот раствор намазывают
на поверхность эмали, а затем насухо вытирают и слегка полируют
поверхность ее мягкой тряпочкой (марлей) перед тем, как прика-
тать на эмаль отпечаток. Чтобы сушить глянцевитые отпечатки,
в последнее время стали применять хромированные полированные
пластинки из латуни, при этом отпадает надобность в парафине
и церезине: их нужно лишь перед употреблением промывать
и смачивать водой.
На рис. 19 изображены две схемы для получения увеличен-
ных отпечатков. Так называемая схема направленного освещения
изображена наверху, а схема диффузного освещения — внизу. Чате
применяют схему направленного освещения. Нижнюю схему упо-
требляют для увеличения портретов в тех случаях, когда не нужна
максимальная контрастность отпечатка.
Фотографии для книг и журналов, где требуется исключи-
тельная контрастность, обычно печатают на глянцевитой бумаге,
которая дает всегда большую контрастность, чем бумага матовая.
476
Усиление и ослабление фотографий
Задачей усиления является увеличение контраста. Ослабление
же должно уменьшить плотность почернения. Контрастность при
•ослаблении может быть увеличена или уменьшена, или сохранена
без изменения, в зависимости от свойств ослабителя. Усиление
и ослабление могут исправить ошибки, допущенные при первичном
проявлении, но ошибки экспозиции исправлены быть не могут.
Рассмотрим так называемое хромовое усиление. Хромовый уси-
литель дает прочное усиление изображения, тогда как ртутный уси-
литель не обеспечивает постоянство усиления. Прежде чем приме-
нять хромовый усилитель, нужно обработать эмульсию в дубящем
растворе. После этого применяют раствор, вызывающий побеление
изображения и представляющий собой смесь 1 части стандарт-
ного белильного раствора, заготовленного ранее, с 10 частями воды.
Белильный раствор для хромового усилителя
Бихромат калия............. 90 г
Концентрированная соляная кис-
лота ..................... 64 см3
Вода..................... 1000 см3
После того как вся эмульсия побелеет, ее надо промыть
в течение 5 мин. и затем второй раз проявить, после чего кон-
трастность значительно увеличивается. Усиленную пластинку сле-
дует обычным способом фиксировать и тщательно промыть. Если
контрастность нужно увеличить еще больше, этот процесс можно
повторить. Усиление нет надобности производить в темноте.
Для того чтобы получить максимальную контрастность, уси-
ленный негатив следует отпечатать на позитивную пластинку или
пленку, которую надо затем усилить и с нее сделать новый отпе-
чаток, который также может быть усилен. Это можно повторять
несколько раз до тех пор, пока не будет достигнут желаемый
результат.
Усиление обычно получается при каждом фотографическом
процессе, поэтому при втором фотографическом процессе (печа-
тание) иногда нужно принимать специальные меры, чтобы пред-
отвратить получение излишней контрастности. В некоторых
случаях, чтобы избежать усиления при воспроизведении отпечатка,
применяют ослабление. В руководствах по фотографии обычно
приведены различные рецепты ослабителей и даются практи-
ческие указания, как их применять.
Проявление после фиксирования (физическое проявление)
Обычно пластинку сначала проявляют, а затем фиксируют, но
операцию эту оказывается можно производить и в обратном
порядке, т. е. сначала фиксировать, а затем проявлять. Для осу-
ществления этого интересного эксперимента применяют малочув-
477
ствительные мелкозернистые пластинки, лучше всего диапози-
тивные. Выдержка должна быть приблизительно в 10 раз больше
нормальной.
Для фиксирования применяют раствор фиксажа с сульфитом,
например, следующего состава:
Во пл •...............................100Э см1
Гипосульфита ......................... 200 г
Сульфита натрия кристаллического . . 40 г
Экспонированную пластинку фиксируют в темной комнате
при оранжево-красном свете. После фиксирования промывают
в щелочной воде на свету в течение 1 часа, после чего на то
произвести физическое проявление ее на гневном свету.
А. Проявитель для физического проявления
и о Л ю м ь е р у и 3 е й е в е т ц у
I. Во(ы дестилчировапной.................. 1000 см”
Сульфита натрия безводного............... 180 г
Раствора азотнокислого серебра (1:10) . . 7л см"
II. Воды дестиллированно i................ 1000 см’’
Парафенилендиамина, или метола, или гид-
рохинона ...................... - . . . 20 г
Смешивают 5 частей раствора I с 1 частью раствора II. Про-
являющий раствор сохраняется не больше 1 часа. Ввигу содер-
жания в растворе азотнокислого серебра, проявление нужно про-
изводить в тщательно вымытой стеклянной кювете.
Б. Физическое проявление по Люппо-Крамеру
Воды дестиллированной................• . . 1000 см::
Метола ................................ 20 г
Лимонной кислоты.........................100 г
Перед самым употреблением прибавляют на 100 см3 раствора
2 см8 10-процентного раствора азотнокислого серебра. Проявление
продолжается от 5 до 10 мин. Шлам, оседающий на пластинке,
удаляют ватным тампоном.
Азотнокислое серебро действует на кожу. Поэтому надо тща-
тельно следить, чтобы растворы для физического проявления не
попали на руки; для захвата пластин при этом надо пользоваться
пинцетом или специальными щипчиками.
Некоторые специальные применения фотографии
Фотографии в инфракрасном свете можно получить на эмульсии,
специально сенсибилизированной к инфракрасным лучам, с по-
мощью обыкновенного объектива и специального светофильтра.
Кривая пропускания подобного фильтра изображена на рис. 7 (88А).
В качестве источников света можно применять: накаленные
предметы, например накаленные электрическим током железные
478
спирали, испускающие достаточное количество невидимых лучей.
Особенно эффективна для инфракрасной фотографии гиперсенси-
билизация.
Р. В. Вуд и В. X. Райт указали на своеобразные эффекты,
которые можно получить при фотографировании в инфракрасных
лучах. При фотографировании в инфракрасных лучах полу-
чаются очень отчетливые изображения предметов, находящихся
в нескольких милях от фотоаппарата, даже при наличии в воз-
духе дымки. Поэтому фотографирование в инфракрасных лучах
очень широко применяется при аэросъемках.
Фотографии в ультрафиолетовом свете дают не менее замеча-
тельные результаты. Перед источником света ставят фильтр, не-
прозрачный для видимого света, как, например, пары брома,
раствор сульфата никеля, тонкие серебряные пленки или пленки
из щелочных металлов. Изображение в ультрафиолетовом свете
может быть получено при помощи тонкой выпуклой кварцевой
линзы или кварц-флюоритового ахроматического объектива. Фото-
графии в ультрафиолетовых лучах, снятые на открытом воздухе,
характеризуются почти полным отсутствием теней.
Вуд установил, на основании фотографических снимков луны,
полученных через серебряный фильтр и через фильтр паров брома,
что пятно около кратера Аристарха, невидимому, покрыто слоем
серы. Сера имеет высокий коэфициент отражения в видимой
области спектра и очень низкий в ультрафиолетовой. На фото-
графиях Вуда в ультрафиолетовых лучах кратер оказывается
совершенно черным, образуя резкий контраст с окружающим
фоном. С такой очевидностью присутствие ни одного другого
вещества на луне не может быть доказано.
Фотографическая камера может быть использована также для
копирования чертежей. Чертеж, который нужно скопировать, на то
сначала сфотографировать, а затем увеличить на матовой бумаге.
После этого, если это желательно, можно обвести полученное
изображение тушью, а саму бумагу (эмульсию) обработать белиль-
ным раствором, чтобы уничтожить следы фотографического изобра-
жения. Китайская тушь после засыхания становится влагоустой-
чивой и поэтому не подвергается действию белильного раствора.
Можно дать несколько практических советов для облегчения
фотографирования приборов, если эти фотографии необходимо
опубликовать. Фотографируемый предмет следует помещать на
светлом фоне, например на фоне белой стены или большого белого
листа бумаги. Полированные части прибора дают блики и ореолы.
Места, которые дают блики (их можно найти точно с помощью
пробного снимка) следует покрыть или вазелином или белилами
(мелом). Хорошие результаты получаются при боковом освещении
или от открытого окна или какого-либо другого широкого источ-
ника света. Хороший искусственный источник света представляет
собой группа в несколько ламп-вспышек, помещенных в ящик, за-
крытый калькой, или каким-либо другим просвечивающим диф-
479
фузным материалом. Для того чтобы увеличить глубину фокуса
при фотографировании сложных приборов, необходимо применять
малые диафрагмы и большие экспозиции. Необходимо так согла-
совать экспозицию и время проявления, чтобы получить и до-
статочный контраст, и четкое изображение деталей в тени.
Для получения большого числа фотографических снимков при
одинаковых условиях рекомендуются новые кинопленочные ми-
ниатюрные камеры типа „Лейка" или „Спорт". С помощью их
можно снять до 35 фотографий за одну зарядку. Этими же ка-
мерами можно воспользоваться для копирования журнальных ста-
тей и даже книг. Полученные таким путем негативы сами уже
являются документальной записью, которую в любое время можно
прочесть при помощи лупы или спроектировав на экран. Нега-
тивы, конечно, можно отпечатать и на позитивной киноленте.
Для чтения негатива при помощи лупы пленку поворачивают
обратной стороной и помещают на ящике с матовым стеклом
и лампой, служащей для рассматривания спектрограмм. Все это
не требует большой затраты времени для обработки, так как все
фотографии получаются с одинаковой плотностью почернения,
и в одно и то же время можно обрабатывать сразу партию в
35 снимков. Снимки, сделанные миниатюрной камерой при пользо-
вании соответствующим прибором (типа „Алоскоп"), чрезвычайно
удобны для иллюстрирования лекций. Графики и таблицы для
этого следует отпечатать в надлежащей последовательности
на кусок киноленты.
Фотографирование чертежей в карандаше обычно вызывает
затруднения. Для этого следует применять специальные репро-
дукционные эмульсии, а освещение их должно быть обязательно
боковое, чтобы устранить попадание в фотокамеру бликов отра-
женного света от частичек графита, оставленных карандашом на
бумаге. Экспозиция и проявление должны быть подобраны таким
образом, чтобы получилась наибольшая контрастность.
Коснемся лишь поверхностно некоторых подробностей, отно-
сящихся к применению фотографии в спектроскопии и астро-
номии. Обычно для фотографирования спектров применяют репро-
дукционные или диапозитивные пластинки. Лучшими проявителя-
ми являются для них D-28 или D-И. Проявление должно длиться
до тех пор, пока на обратной стороне эмульсии через стекло не
будет видно изображение спектра.
Для фотографирования спектральных линий наиболее выгодно
выбирать область характеристической кривой (кривой Д — lg Е),
лежащую в пределах ширины данной эмульсии. Наиболее жела-
тельна плотность почернения равная 0,5. Оптимальная освещен-
ность, необходимая для рассматривания отдельных спектральных
линий на пластинке, должна быть равна 100 люксам. Для более
сильной или более слабой освещенности чувствительность глаза
к контрасту уменьшается. Очень полезно оптическое „перемеши-
вание зерен" (mixing of the grains) вдоль по длине слабой спек-
480
тральной линии; это делает ее значительно более заметной (это
„перемешивание зерен" достигается рассматриванием спектра
сквозь цилиндрическую линзу, геометрическая ось которой на-
правляется параллельно длине спектра).
Фотографическая фотометрия
Спектрограммы и фотографические снимки звезд требуют
фотометрирования в тех случаях, когда интенсивность света,
давшего изображения, можно установить только приблизительно
в предположении, что точно зафиксировано угловое распределение
излучения.
Целесообразность применения фотографии специально для
наблюдений этого рода иллюстрируется следующими высказыва-
ниями Ф. Тильбота еще на заре развития фотографической тех-
ники, которые теперь следует считать блестяще доказанными;
„Для фотографирования группы объектов не требуется боль-
шего количества времени, чем для фотографирования единичного
объекта... Камера изображает всех их одновременно, как бы
многочисленны они ни были...“
„Достаточно одного взгляда на тысячи цветов в их великом
разнообразии, чтобы представить себе, как велик весь тот огром-
ный труд, который нужно затратить, чтобы зарисовать эти тысячи
цветов со всеми их тончайшими веточками настолько точно,
чтобы ни одна двустворчатая чашечка, которую нужно рассма-
тривать в лупу, не пропала бы из всего этого множества, по
сравнению с тем трудом, который нужен для зарисовки простого
дубового или каштанового листа. В действительности при фотогра-
фировании в обоих случаях трудности одинаковы. Требуется
одинаковое время, всего несколько секунд, и на фотографирование
простого листа и на фотографирование множества цветов, тогда
как для зарисовки их понадобились бы дни и недели артистиче-
ского напряженного труда..."
Сверх того, фотография применяется и для других количе-
ственных измерений интенсивности света.
В фотографической фотометрии для измерения количества
света фотографическая пластинка служит только в качестве инди-
катора, показывающего одинаковой плотностью почернения, что
две площадки ее были одинаково экспонированы, при чем одна
освещалась источником света известным, а вторая — подлежащим
измерению. Существенным является, чтобы обе площадки экспо-
нировались в одинаковых условиях, например для них должно
быть одинаковое освещение и одинаковое время экспозиции при
непрерывном освещении или одинаковые интервалы между интер-
валами освещения, если оно прерывистое. Также важно преду-
смотреть ошибки, которые могут возникнуть от различной
чувствительности в разных участках поверхности пластинки.
31 Стронг
481
Здесь мы опишем два основных метода фотографической фо-
тометрии. В процессе фотометрирования имеется много раз-
личных источников ошибок, и поэтому наше изложение должно
быть дополнено ознакомлением с рядом статей, отмеченных в пе-
речне литературы, принадлежащих Абнею, Гаррисону, Джонсу
и Сандвику (Л. XI, 1, 10, 14, 15).
В первом методе, который мы рассмотрим, перед входной
щелью спектрографа помешается так называемый ступенчатый
ослабитель.
При первой экспозиции щель спектрографа освещается через
ступенчатый ослабитель света, интенсивность которого следует
измерить. Затем для получения второй экспозиции, для сравне-
ния, щель освещается в течение точно такого же промежутка
времени светом известной интенсивности и известного спектраль-
ного распределения, при чем
освещаемые участки пластинки
при первой и второй экспози-
ции должны прилегать друг
к другу. Спектры располага-
ются один под другим.
Ступенчатый ослабитель
представляет собой стеклянную
или кварцевую пластинку, по-
крытую тончайшими полоска-
ми платины (пли же какого-
либо другого металла) с возра-
стающей оптической плотно-
стью. Ступенчатым ослабите-
лем может служить ряд ней-
тральных желатиновых фильт-
ров. Освещенность вдоль щели,
которая должна была бы быть
освещена совершенно равно-
мерно, уменьшается при сту-
пенчатом ослабителе в различ-
ное число раз, обычно убывая
в геометрической прогрессии.
Приготовление и калибри-
рование ступенчатого ослаби-
теля представляет большие
экспериментальные трудности.
Установка для изготовле-
ния такого ослабителя из
слоя металла представлена на
рис. 20.
На основании сделанной
заранее градуировки ступен-
чатого ослабителя можно найти
Рис. 20. Изготовление ослабителя
(ступенчатого).
1— Mat интнын стержень, который приходится
но вращение извне, при помощи ручного
магнита в течение испарения; 2 — лезвие
бритвы; 3 — каретка на 1айке с экранчиком,
закрывающим чистую часть поверхности
стекла; 4 — вннт; 5 — подкладка для ослаби-
теля из пластинки стекла, укрепленной на
стойке; 6 — испаряемый металл; 7 — крючок,
предупреждающий вращение каретки; сколь-
жение сзади подкладки по стойке.
4К2
относительные интенсивности всех ступенек для любой волны.
Для получения градуировки необходимо измерить относительные
оптические плотности различных ступенек ослабителя с помощью
микрофотометра.
Рис. 21. Схема установки вогнутой решетки.
1—окружность Роланда; 2—фотопластинка; 3—оптическая ось; 4 — во-
гнутая решетка; 5 — щель; 6—растр; 7—конденсатор; 8 — прямая каса-
тельная к окружности Роланда, пересекающаяся с оптической осью
решетки.
Современный способ фотографирования спектров при помощи
вогнутой дифракционной решетки изображен на рис. 21; на нем
представлен взамен ступенчатого ослабителя специальный растр.
Рис. 22. Оценка интенсивности спектральных линий по Фрериху.
А —фоток рафия типичных спектральных линий. Б —их яркость, опреде 'еннан
по графику плотностей в функции времени экспозиции.
Растр изготовляется из тонкой металлической пластинки с вы-
резами опре (елейной длины, помещаемой перед щелью у соби-
рательной линзы. Применение растра с определенной длиной
разрезов исключает необходимость калибрировать его. В однород-
ном параллельном пучке света количество света, пропускаемое
каж 1ым элементом растра, определяется площадью элемента.
Применение растра требует поэтому астигматической осветитель-
ной оптической системы. Растр обычно устанавливают таким
31 * жз
образом, чтобы его изображение фокусировалось в вертикальном,
направлении на щель, тогда как в горизонтальном направлении
на щели фокусировался параллельный пучок лучей, пропу-;
скаемый им.
На рис. 21 изображен остроумный способ, который применил
Фрерикс, использовав астигматизм, присущий установке с решет-
кой Рауленда (Л. XI, 7). В этой установке отдельные участки
спектральной линии, соответствующие разным площадкам растра,
.меняются по своей интенсивности в отношении 16:1:2:4:8:16.
Метод определения относительных интенсивностей двух или
нескольких линий иллюстрируется на рис. 22. Измеряемые линии
должны находиться поблизости друг от друга. Тогда различия
чувствительности пластинки для рассматриваемых длин волн
незначительны, и можно поэтому пользоваться одними и теми же
кривыми Н—D. Отдельно на чертеже изображена фотография
через растр трех спектральных линий. Плотность почернения
отдельных участков спектральной линии измеряется на микрофото-
метре и изображается на графике. Абсциссы этого графика имеют
логарифмическую шкалу; расстояния между отдельными точками
по оси абсцисс определяются пропусканием каждой ступеньки
ослабителя. Каждая спектральная линия дает свою кривую Н — D,
и боковое смещение кривых относительно друг друга соответ-
ствует относительным интенсивностям линий. Определение отно-
сительных интенсивностей этим способом может быть сделано
с точностью до 30,о.
ГЛАВА X/1
ТЕПЛОТА И ВЫСОКАЯ ТЕМПЕРАТУРА1 * *
В этой главе мы рассмотрим сначала некоторые основные све-
дения из теории переноса тепла. Исходя из этого, нам проще
будет изложить технические приемы получения высоких темпе-
ратур, контроля температуры и ее измерения.
Теплопроводность. Установившийся режим теплопередачи
Скорость Ф (выраженная в кал. сек.), с которой в гомогенной
среде тепло протекает сквозь элемент изотермической поверх-
ности, имеющий площадь А, пропорциональна А, теплопроводности
материала А' и градиенту температуры dT dx, перпендикулярному
поверхности, т. е.:
Ф — — КАкал. сек. (1)
dx 4 '
В случае прямоугольного параллелепипеда, противополож-
ные грани которого имеют температуру 7\ и Г,, уравнение (1)
после интегрирования обращается в:
Ф =—~ (Л—Л) кал- сек-> (2)
где А— площадь поперечного сечения параллелепипеда, перпен-
дикулярного температурному градиенту, а х—-расстояние между
изотермическими поверхностями 1\ п Т,. При этом предпола-
гается, что К постоянно в температурном интервале 7\—
Величины теплопроводности различных материалов приведены
в табл. 1.
Фактор формы
Для многих случаев, встречающихся на практике, геометри-
ческие соотношения не так просты, как в случае параллелепипеда,
1 В дополнение к сведениям, изложенным в этой главе, весьма полезно озна-
комиться с книгой: В. С. Веселовский и И. В. Шиганенков. „Нагревательные
приборы в лабораторной прав тике". Москва, Госхимиздат, 1938.
485
Таблица i
Теплопроводность К, температуропроводность Л, время релаксации г для
бесконечного слоя толщиной в 2 см(л0=1 см)
к
Материал (при комнатной кал.* см см-', сек. .°C /г т
температуре, если это не оговорено специально) (см<сек.) (сек.)
Алюминий 0,480 0,826 0,49
Висмут .... . . . . 0,0194 0,0678 6,0
Латунь (желтая) • . . . . 0,204 0,339 1,19
Константан (60 Си 40 N1) 0,054 0,062 6,5
Медь ... • 0,918 1,133 0,357
Золото 0,700 1,182 0,34
Инвар 0 026 0,02 20
Отожженное железо и мяг- 1
кая сталь 0,144 0,173 2,3
Чугун и углеродистая 0,11 0,12
сталь 3,3
Свинец 0.083 0,209 1.9
Ртуть • . . • 0,148 0,0327 12,4
Монель-металл 0,06 0,056 7,2
Нихром или хромель . . . 0,032 0,034 11,9
Никель 0,215 0,23 1,8
Платина 0,167 0,239 1,69
Серебро 1,006 1,737 0,233
Вольфрам (комн, темпе-
ратура) 0,38 0,59 0,69
то же 1400° С .... 0,258 0,315 1.28
. 2100°С . . - 0,296 0,325 1,24
Карбид кремния в кусках,
25 до 1000°С 0,024 0,055 7.3
Графит, 0 до 100°С . . . 0,315 1,2 0,34
Плавленый кварц, 0°С . . 0,0033 0,0083 49
. „ 1000°С 0,0064 0,0105 38
Твердый фарфор. I
20 до 1000°С 0,003 4-0,004 0,0028-4-0,0056 144 -4- 72
Обожженный природный
тальковый камень . . . 0,003 -т-0,0067 ——
MgO 0,0015-г- 0,(036 0.001674-0.00333 240-4-120
AIA 0,0016 4-0,0084 0,00234-0,0116 1764-35
Спекшийся ALO3. 900°С . 0,013 0,0119 34
Слюда 0,0008 4-0,0014 0,001324-0,00232 306-4-174
Стекло 0,0024 0,0057 71
Воздух, 0tC 0,000055 0.179 2,3
Асбест рыхлый . . 0,0004 0,0035 116
Среднеобожженный кир-
пич, 0 до 800°С 0,004 0,0074 55
Бетонный камень, 20 до
1000°С • . . 0,0027 0,0056 72
Пробка цельная 0,00012 0,0017 238
Парафин • . 0,00061 0,001 404
Вода .... ...... 0,00143 0,00143 283
Сосна: поперек волокна . 0,0002 0,0012 340
вюль волокна 0,0006 0.0036 122 j
485
и интегрирование уравнения (1) может оказаться весьма трудным.
Однако обычно интеграл можег быть выражен уравнением:
Ф = — KS (Т, — Т J кал. сек., (3)
где 5 — так называемый фактор формы, который зависит от раз-
мера и формы пространства между двумя изотермическими по-
верхностями, сохраняющими каждая температуру 7\ и Г2.
Для прямоугольного параллелепипеда фактор формы опреде-
ляется из уравнения (2):
A
(4)
Для двух концентрических цилиндрических изотермических
поверхностей (весьма длинных по сравнению с их радиусом) дли-
ною I и соответственно температурами 7\ и Т2 величина 5, вы-
раженная в функции от I и радиусов г, и г2 поверхности, будет:
2,73/
Igio
Для двух концентрических сферических изотермических по-
верхностей, одной с радиусом rt и температурой 1\ и другой
с радиусом г» и температурой 72, фактор формы выразится:
у —____
° /1 1
(5)
(6)
Тепловая проблема, чаще всего возникающая в лаборатории,
состоит в определении потери тепла электрической печью. Вну-
треннюю стенку печи, температура которой почти одинакова, мож-
но рассматривать как одну изотермическую поверхность, а внеш-
нюю поверхность печи, температ} ра которой немного выше ком-
натной, можно считать второй изотермической поверхностью.
Лангмюир, Адамс и Майкль нашли выражения для фактора формы
для некоторых специальных случаев, которыми можно восполь-
зоваться для решения проблем этого типа (Л. XII, 15). Однако чтобы
определить потери тепла цилиндрической печи, если внутренняя
труба длинна и окружена слоем изоляционного материала, как
показано на рис. 1, можно воспользоваться непосредственно урав-
нением (5). Для случая же, представленного на рис. 2, следует
применить уравнение (6), приняв за rt и г.> размеры радиусов
сферических поверхностей, близких к поверхностям, обозначен-
ным на рисунке пунктирными линиями. Эти расчеты, конечно,
не претендуют на особую точность, но они обычно вполне до-
статочны для выяснения многих вопросов, возникающих при
проектировании лабораторной печи.
Таким образом, фактор формы может быть определен также
и экспериментально, пользуясь подобием между законом пере-
487
носа тепла (уравнением 1) и законом Ома. Экспериментальное
определение 5 может быть непосредственно сведено к измерению
электрического фактора формы S1 при помощи деревянной модели,
воспроизводящей внутреннюю и внешнюю изотермические по-
Рнс. 1. Модель для расчета
тепловых потерь в цилиндриче-
ской печи (см. рис. 17).
Рис. 2. Модель для ра-
счета тепловых потерь
в тигельной печи (см.
рис. 19).
верхности, характеризующие данную тепловую проблему. Эти
поверхности па мотели, покрытые медной фольгою, могут слу-
жить электродами. Пространство между ними заполняется насы-
щенным раствором сернокислой меди с добавлением ’/^/о (но
объему) серной кислоты. Прикладывая к этим медным электродам
переменное напряжение, можно определить общую электропро-
водность раствора в пространстве между ними. Переменный ток
применяют во избежание поляризации на электродах. Уравнение,
дающее электрический формфактор, будет:
/ = — K'S’V, (7)
где V и i—измеряемые величины напряжения и силы тока, а
К' — удельная электропроводность раствора, определяемая от-
дельным опытом.
Для этого берут обычный сосуд с постоянным поперечным
сечением А' п длиною л', с медными пластинками на концах,
и в нем определяют сопротивление раствора. Для такого сосуда
фактор формы всегда равен А' х' (как в уравнении 4). Для пере-
хода ci’ S' к S надо разделить 5 на коэфициент, соответствен-
ный масштабу, в котором была изготовлена модель. Если модель
была сделана, например, в половинном масштабе, то S—--2 S'.
Теплопроводность — неустановившийся режим
Термическое состояние гомогенного тела в декартовой системе
координат определяется следующим основным диференциальиым
уравнением:
dT _ к (dr г , а-г <11 \
dt ос \ rf.v-’ "Т dy- ‘ dz~ /
(8)
Здесь t— время;
Т— температура точки тела, представленной в координа-
тах х, у и z\
dTdt— скорость изменения этой температуры;
К, р и с — физические константы, характеризующие вещество, из
которого состоит тело, а именно теплопроводность,
плотность и удельную теплоту. Принято сочетание этих
трех констант заменять одним числом—коэфициентом
температуропроводности на основании соотношения
h2 = . Иногда h называется термической диффузией
материала. См. табл. 1, стр. 486 (Л. XII, 10, 4, 12).
В одном измерении уравнение (8) принимает вид:
</7_К ,
dt w^dx**
Если dT dt равно нулю и если мы один раз проинтегрируем
d-T
выражение -г?, то получим уравнение, характеризующее уста-
новившийся режим теплопередачи:
~ = М. (10)
rf.v 4 '
С физической точки зрения константа интегрирования М бу-
дет иметь значение:
= где Ф--=-КА%, (11)
а это то же, что и уравнение (1).
Более общий вид уравнения (8) включает добавочный член,
учитывающий виды превращения энергии при изменении режима
и т. д., на чем мы здесь останавливаться не будем.
Имеется бесконечное число решений основного диференциаль-
ного уравнения (8). Те из них, которые соответствуют стоящей
перед нами проблеме, выражаются бесконечными рядами, сумма
которых подчиняется требованиям геометрии тела и так называе-
мым граничным, или предельным, условиям, характеризующим дан-
ную частную задачу. Математические приемы получения и сум-
мирования рядов, необходимые для решения некоторых конкретных
за щч, были впервые разработаны Фурье свыше ста лет тому назад.
Эти приемы были распространены впоследствии другими матема-
тиками на решение многих весьма разнообразных более или менее
сложных физических задач (Л. XII, 11). Не касаясь здесь самих
математических методов решения их, рассмотрим результаты,
полученные при приложении их для решения некоторых про-
стейших практически важных тепловых проблем.
Бесконечный плоский слой. Прежде всего определим темпе-
ратуру в различных точках внутри плоскопараллельной плиты,
489
у которой первоначально температура всюду была одинакова
и равна То. Постараемся определить температуру в различных
точках плиты как функцию времени, протекшего с момента, когда
плита будет погружена в среду, сохраняющую неизменную тем-
пературу 7\. Допустим, что Г, будет ниже, чем То. (Изменения,
.которые необходимо внести в наши рассуждения для противопо-
ложного случая, т. е. когда Тх выше 7(>,— очевидны.) Практически,
если размеры плиты очень велики по сравнению с ее толщиной,
то вопрос сводится к проблеме одного измерения и для разре-
шения ее целесообразно воспользоваться декартовой системой
координат, которая ориентирована таким образом, что две пло-
ские поверхности плиты совпадают с плоскостями:
* = И Х = — Х„.
Необходимое для нас решение уравнения (8) представляет
собою ряды, члены которых зависят как от х, так и от t. Сумма
этих рядов для всех точек плиты для момента 7 = 0 должна
давать одну постоянную температуру, а для любого другого
момента времени должна на поверхности плиты давать градиент
температуры, удовлетворяющий закону охлаждения Ньютона.
Закон охлаждения Ньютона гласит, что потеря тепла едини-
цей площади поверхности плиты в окружающую среду, которую
мы обозначим UZ, пропорциональна разности между температурой
ТХе па поверхности и температурой 7\ в толще той среды, в кото-
рую плита помещена, т. е.:
U/ = A/(rv„- Г^кал. сек..см2. (12,
W—можно представить себе как сумму потерь за счет лучеис-
пускания тепла радиацией и конвекции Температур-
ный градиент на поверхности зависит от величины W и о г
теплопроводности материала, из которого сделана плита.
Выражая алгебраически предельные условия, которым должно
удовлетворять наше уравнение (8), мы получим:
при £ = 0, Т=Т^ в толще всей плиты (13)
-и для всех значений t при A' —.v0:
g = —(И-а,
.а при л* = — xQ:
^=^(Тг,-Л). (14-Ь)
490
Решение уравнения (8), удовлетворяющее этим условиям, бу де л
COS ^7, (15)
где «„ — корни трансцендентного уравнения:
2л-,Д’
г.а„К
ап~
2 '
(16
Значения ап могут быть определены графически по абсциссам
точек пересечения кривых, выражающих две функции от лп:
т.апК
2x.N
и v = ctg^‘-
(17)
Прежде чем подвергнуть анализу это решение, сделаем
следующую подстановку в членах, содержащих показательные
функции:
(18)
Число т называется временем релаксации и вот почему.
Вначале, т. е. тогда, когда величина t мала по сравнению с
точное выражение для Т требует вычисления нескольких чле-
нов рядов, входящих в уравнение (15), несмотря на то, что
ряды являются быстро сходящимися. Однако вскоре после того,
как t — т, все члены, содержащие экспоненциальные функции,
за исключением первого (п — 1), становятся бесконечно малыми.
Это происходит потому, что at меньше других значений ап. После
того как t станет равно ~, уравнение (15) можно представить
в виде:
(/«--- Л)
I O.-V
cos^0
\ 01* /
(19)
Первый множитель выражения, заключенный в скобки, является
постоянным, второй определяет уменьшение разности температур
{Т—Г,), а третий — функция пространственного распределения
температуры. Время релаксации очевидно пре уставляет собой
491
интервал, необходимый для того, чтобы температура, сначала по
всей толщине плиты одинаковая, достигла в первом приближе-
нии пространственного распределения, выражаемого последним
множителем в уравнении (19).
Величина at для плоского тела (с вертикальными гранями) на
воздухе при комнатной температуре получается на основании
уравнений (35а), (48а), (12) и (16):
W'kohr. = 1,3 X 10~'(70— Л,)кал. сек.-см-; (35а)
Мрад, —1,5X (Л— Л0)кал. сек.-см2. (48а)
Таким образом:
N — 2,8 X Ю :кал. сек.-см- С.
Чтобы показать как уравнение (19) применяется в конкретных
задачах, рассмотрим случай телескопического зеркала толщиною
в 2 см, качества поверхности которого подлежат исследованию
по методу „ножа“ (Фуко). Чтобы результаты исследования были
достаточно надежны, необходимо, если зеркало принесено из
комнаты с температурой выше или ниже температуры комнаты,
в которой производится исследование, выдерживать его, пока
оно не приобретет новую температуру. Если диаметр зеркала 15 см
пли более и оно подвергается действию воздуха с обеих сторон,
мы можем рассматривать его как бесконечную плиту и применить
к нему уравнение (19) для определения его термического состоя-
ния. Для стекла мы можем принять К= 0,0024 и h2 = 0,0057. Тогда
т = 71 сек., а на основании уравнения (16) мы получаем ах = 0,219.
После подстановки этого значения уравнение (19) может быть
написано в виде:
Tr =-3 X 10“T-L-0,15 + lg,o(cosO,34A). (20)
Это решение применимо лишь но истечении времени свыше
71 сек. Для того же чтобы выразить термическое состояние, вначале
можно принять логарифм (7'1 — 7'г) [Т{ — за ординату по отноше-
нию к абсциссе t. Ряд прямых параллельных линий (соответствую-
щих различным х), полученных для t > 71 сек., следует тогда про-
должить отрезками кривых к одной общей точке в начале коор-
динат, принимая во внимание, что 7Л = ХХ11 очень быстро изме-
няется со временем, когда t близко к 0, а 7\ = о изменяется очень
медленно. Этот метод не очень точен, п более точное решение
можно получить, исходя из выражения (15). Однако формула эта
4S2
слишком сложна, ;а исключением некоторых специальных случаев.
Ниже мы рассмотрим два таких примера.
Выражение (15) может быть упрощено для предельных слу-
чаев, когда охлаждение происходит относительно быстро, т. е.
когда Nx0 /<> > 1, и когда охлаждение протекает относительно
медленно, т. е. когда /Vx07C <<Ч- В первом случае^ прибли-
женно можно считать равным (2п-]~ 1), a sin (tz„r 2) = (— 1)", тогда
уравнение для температуры упрощается, превращаясь в:
4 КЧ-П" +
г=л+;(Го-л) 7 cos<2n+1>2.V (2I)
оо
Для медленного охлаждения, где Л/х0%<<1, плита прак-
тически остается при одной температуре во всей толще, и темпе-
ратура эта выражается:
7 = Л + (7О-Л)^'« ’• (22)
Практика в решении задач этого типа весьма полезна для
экспериментатора, когда он при проектировании натолкнется на
вопросы, связанные с приспособлением предмета к изменениям
температуры.
Применение их к оптическим исследованиям было нами уже
рассмотрено выше. При оптическом исследовании поверхности
методом Фуко (метод ,,ножа“) отсутствие термического равнове-
сия может значительно исказить форму оптической поверхности
и вызвать весьма досадные конвекционные токи воздуха вдоль
нее.
Время релаксации. Время релаксации для цилиндра прибли-
зительно равно половине времени релаксации для плиты при
условии, что толщина плиты 2х0 равна диаметру цилиндра 2гп.
Время релаксации для сферы или куба приблизительно равно
1 4 времени релаксации для плиты соответствующей толщины.
В большинстве проблем, связанных с неустаповившимся тепло-
вым режимом, бывает достаточно знать только время релаксации.
Время релаксации может быть интерпретировано как время, не-
обходимое чтобы тепловой импульс проник в толщину плиты на
глубину х0.
Время релаксации для различных материалов приведено
в табл. 1 для плит толщиной 2 см (х0 = 1 см). Следует заметить,
что для различных значений х0 время, которое требуется чтобы
теплота проникла до середины плиты, было приблизительно про-
порционально х02.
4’33
Время релаксации для графита, которое приблизительно то
же, что и для меди, особенно мало. Крайние (предельные) зна-
чения для т, приведенные в табл. 1, заключаются приблизительно
между сек. для серебра и 404 сек. для парафина.
Периодические изменения температуры. Рассмотрим плиту
толщиной х0, имеющую на поверхности температуру, изменяю-
щуюся гармонически по закону 1\ = А cos^A
Если т время релаксации для плиты, то температура внутри
плиты выразится формулой:
Т — A cos —
4ЛиА2
— COS -|-
Членами, содержащими экспоненциальные функции, можно
пренебречь после того, как истечет время релаксации, и темпера-
туру можно определить тогда простым суммированием ряда. За
исключением случаев, когда <от>> 1, сходимость рядов достаточ-
но быстрая, чтобы первый член можно было бы считать хоро-
шим приближением, тогда:
Г== А
О)2Т2 ПХ
O-Q-C0S А -
f- окт2 2xq
cos®/1-]-
4wT \ . , 7ГЛ'
, —o; Sin W COS a
+ co-т-)/ 2xQ
(24)
Произведение ®т является умноженным на ‘2~ отношением времени
релаксации к периоду приложенной гармонически изменяющейся
температуры. Если мало, пластина строго следует за изменением
внешней температуры, колеблясь только с одной компонентой
колебания, сдвинутой по фазе sin ®/, пропорциональной ®т, а ампли-
туда этих колебаний температуры будет в разных точках пропор-
циональна cos (кх/2х0).
Когда ®т>'> 1, температура вблизи поверхности приблизитель-
но такая же, как если бы плита была бесконечной толщины, так
как температура в середине практически будет оставаться по-
стоянной.
Температура на расстоянии х от поверхности бесконечно тол-
стой плиты по истечении долгого времени выражается формулой:
Л
2 1г
COS
494
где A cos w/ — температура на поверхности. Таким образом, с
глубиною амплитуда колебаний температуры экспоненциально'
<!> X
По отношению к температуре на поверхности в толще плиты
наблюдается отставание колебаний по фазе равное:
Шар. Когда шар или цилиндр, которые первоначально имеют
одинаковую во всей толщине температуру Го, вносят в среду
с более низкой температурой Т19 то уравнения, подобные урав-
нениям для плиты, будут иметь следующий вид:
для шара радиусом г0:
• । u
1 * тГК
• *n7
sin
2 2.2,
е« к h t
annr
Sm-£—
2л0
M / ЗиЛ .
1 -5 — sin ann
где а/г — корни уравнения:
ап*
2
к
(27)
и по истечении времени
пределение температуры,
нении (15), будет равен:
релаксации член, представляющий рас-
соответствующий cos(aput/2x0) в урав-
sin "
2r0
Когда /Vr0^~l, то приближенно температура выразится:
,8 л>2 - (_1)п _ (2„ +1w
7 = ^1 + rfi ~К Wn +lf е 4,0
с
. (2л -4- 1) пг
2г0
te Л-
е
495
Когда 2Уга//<>>1, что имеет место при относительно быстром
охлаждении, то температура дается приближенным выражением:
В случае медленного охлаждения, при котором Nr^K«L
температура изменяется, примерно, одинаково во всем шаре,
и изменение со времене^м выражается в виде:
Т'=Л + (Г0-7'1)е
3Nh‘4
Кг~,
(30)
Цилиндр. Для цилиндра с радиусом г0 температура выра-
жается через бесселевы функции Jo и /у, для которых имеются
подробные таблицы в виде формулы:
где !х„ —корни уравнения: ~ < СЛ,) •
В предельных случаях исчезает. Например, когда Nr^K» 1,
т. е. когда мы имеем дело с быстрым охлаждением, \>-п точно
совпадает с корнями функции Jo (у.п) = 0, и температура приближенно
выражается уравнением:
7 = Т1+2(7'О— L2'4 1 + J zj0<2,4 Г1 4- ^-1 М) —
1140 17 (1,25 L 1 №*0] г0/
Температуру в центре можно найти и без помощи таблиц бес-
селевых функций, так как J (0)= 1.
496
Когда ^0^7С«1, т- е- когда температура во всей толще
цилиндра практически одна и та же, она выражается:
2Nh*f
(33)
Если то первый член уравнения (31) начинает
преобладать по истечении времени релаксации над остальными.
Функция Бесселя может быть развернута, и температура тогда
выразится:
Передача тепла свободной конвекцией
За исключением некоторых специальных случаев, рассчитать
отдачу тепла путем свободной конвекции чрезвычайно сложно
или даже совершенно невозможно. Частные же случаи, которые
удалось рассчитать, относятся только к плоским поверхностям
и к проволокам, охлаждаемым путем конвекции. Сводка всех
работ, проведенных по этому вопросу вплоть до 1933 года, сделана
У. Д. Кингом (Л. XII, 12). Среди различных методов вычисления
потерь тепла через конвекцию наиболее простой метод указан
Лангмюиром (Л. VI, 14, 15). Его метод применим, когда поверх-
ности невелики, как те поверхности, например, с которыми мы
имеем дело в лабораторной практике. При применении к верти-
кальной поверхности этот метод состоит в вычислении теплопро-
водности сквозь постулируемую неподвижную воздушную обо-
лочку толщиной 0,45 см. Тогда отдача тепла будет:
IF = (Д — 7\) кал./сек • см2.
0,4э - - 17 '
(35)
Здесь:
К —теплопроводность воздуха,
1\ — абсолютная температура вертикальной поверхности и
Т2 — окружающая температура.
Более полная теория показывает, что W должна быть пропорцио-
нальна (7\— Л)/<и корню четвертой степени из высоты верти-
кальной поверхности. Число К в уравнении (35) не является
величиной независимой от температуры и, исключая случаи
небольших температурных перепадов, перенос тепла выражается:
W = / KdT =---------Cfe каЛе сек. см2#
0.4о./ 0,4э
Т,
32 Стронг
(36)
497
Для облегчения вычисления величины ф для воздуха дана
табл. 2.
Эти величины вычислены с помощью выражения:
т
ф= !' клт.
о’
Таблица 2
(37)
Значение ф для воздуха
Температура (СК)
кал.'сек-см
О .
100 .
200 .
300 .
400 .
500 .
700 •
900 .
1100 .
1300 .
1500 .
1700 .
1900 .
2100 .
2300 .
2500 .
0
0,00098
0,00401
0,00924
0,0160
0,0243
0,0451
0,0709
0,1017
0,1376
0,1776
0,222
0/271
0,325
0,384
0,447
Лангмюир нашел, что потери за счет свободной конвекции
с горизонтальной поверхности, обращенной вверх, на 10% больше,
чем потери с вертикальной поверхности, и что они на 50% меньше
с поверхности, обращенной вниз, по сравнению с вертикальной
поверхностью.
Лангмюиром рассмотрен также способ вычисления потерь
тепла через конвекцию с тонких проволок.
Перенос тепла излучением
Энергия, испускаемая с площади А поверхностью, излучающей
тепло в области спектра между длинами волн X и выра-
жается:
Фл = кал.,'сек. (38)
Это выражение представляет сумму излученной энергии в пре-
делах телесного угла, опирающегося на полусферу (угол в 2~
стерадиана.) Здесь г, обозначает коэфициент светимости поверх-
ности и представляет отношение излучения поверхности к излу-
чению, которое давало бы при той же температуре „абсолютно
черное тело“; — энергию, излучаемую в единицу телесного
498
угла черным телом с той же площади при длине волны X
в интервале одной единицы длины волны, т. е. в интервале
dx = 1 см.
Так называемое излучение абсолютно черного тела опреде-
ляется как полное излучение энергии, исходящее из поверхности
тела, которое находится в температурном равновесии со всей
окружающей его средой. Например, внутренняя поверхность
полости в непрозрачном материале при одинаковой во всех точ-
ках „температуре дает соответственно такую же радиацию, как
абсолютно черное тело. Действительно излучение абсолютно
черного тела экспериментально получается именно из таких
замкнутых полостей. Стенку полости прорезают для получения
небольшой щели, которая служит источником излучения, при чем
щель оказывается настолько малой, что заметно не может нару-
шить внутреннего теплового равновесия. Название „излучение
абсолютно черного тела" происходит из закона Киргоффа, ко-
торый гласит, что коэфициенты излучения и поглощения любого
тела равны. Таким образом, черное тело с коэфнциентом погло-
щения равным ах = 1 согласно закону Киргоффа обладает коэфи-
циентом лучеиспускания также равным единице ех = 1.
Формула Планка для Д представляет собой функцию длины
волны X и абсолютной температуры Г:
А = jr /— \ кал. сек • см • стерадиан. (39)
\ Г
Эта формула дает распределение энергии в спектре накален-
ного тела и, нанесенная на график относительно X при различных
температурах, представляет семейство кривых, изображенных
на рис. 3.
Рис. 3. Спектральное распределение излучаемой знергии при разных темпера-
турах по Жану Лекомту.
32* j
499
Для ХГ —0,3 это выражение с приближением до 1°/о совпадает
с так называемой формулой Вина:
f дс — ДА
4 = —Ае 'кТ кал./сек- см-стерадиан.
(40)
Когда же ХГ становится «'0,3, J' асимптотично стре-
мится к /.
Для XT—80 это выражение с приближением до 1°/0 совпа-
дает с так называемой формулой Релея-Джинса:
кал. сек-см-стерадиан.
(41)
Когда же XT становится» 80, J* тоже асимптотически при-
ближается к J} .
Величины констант сг и если X выражается в сантиметрах,
будут:
cY = 2,81 X 10 кал. сек-см~на единицу телесного угла и
с2 = 1,432 X Ю8 см-градусы.
Общая отдача тепла радиацией с единицы площади поверх-
ности абсолютно „черного тела" — это величина, выражаемая инте-
гралом от формулы (38), распространенном на все длины волны
от 0 до о©. Интеграл приводит к формуле Стефана:
J)d\ = A^T^ кал. сек.
(42)
Большинство поверхностей твердых веществ обладает общей
радиацией, которая может быть выражена как:
Ф = /4ггаГ4 кал. сек.,
(43)
где о = 1,37 X 10~12 кал. сек*см2 • градус4.
Тепло, испускаемое плоской поверхностью с площади А в ко-
нус, ограниченный телесным углом rf2, будет выражаться:
r/Ф —zlcosB-^s оТ4 кал. сек.
i • 1
(44)
Здесь:
/4 cos 6— проекция площади источника радиации на плоскость,
перпендикулярную направлению радиации, а
Дя— часть всего тепла, излучаемого в направлении 0 в ди-
ференциал dQ телесного утла.
Число представляет коэфициент излучения средний в интер-
вале всех длин волн, являющийся обычно величиной „постоян-
ной" лишь для очень небольшого интервала температуры. Для
500
неметаллических пористых веществ она очень близка к единице,
вне зависимости от видимого цвета вещества. Конечно, видимый
цвет тела не определяет его „инфракрасного цвета* Некоторые
вещества, например свинцовые белила, кажутся почти совершенно
черными в инфракрасной области спектра/ тогда как для других
веществ справедливо обратное, например для закопченной или для
черной бумаги, которые являются прозрачными для длиннлкллнп-
вого конца инфракрасного участка спектра.
Для алюминиевых красок в пределах комнатной темпера-
туры может различаться в пределах между 0,3 и 0,5. Для не-
металлических пигментных красок можно считать ег=1.
Для чистых металлов е7 меняется с температурою таким обра-
зом, что общая способность к эмиссии тепла может быть удовле-
творительно представлена выражением вида:
Ф = АМТт кал. сек.
(45)
Здесь М и m — константы. Величины и тп для некоторых
распространенных металлов приведены в табл. 3.
Таблица 3
Константы излучения чистых металлов 1
Металл Температура СК) М m j
Серебро 610 до 980 7,16 X Ю~м 4,1 1
Платина 640 до 1150 5,50 X 10“16 5,0
Никель 463 до 1280 2,39 X Ю~15 4,65
Железо 700 до 1300 7,65 X 101- 5,55
Нихром 325 до 1310 4,30 X 10~13 4,1
Перенос тепла излучением между двумя параллельными чер-
ными изотермическими поверхностями площадью А при абсолют-
ных температурах Л и 7/, разделенных небольшим промежутком,
выражается следующим образом:
/4 4 \
W=c[T —т
\ 2 1 /
кал. сек • см2,
(46)
ИЛИ
IF—1,37 <
т \
7 2 |
1000/
кал.,сек-см2.
(47)
1 См. Smithsonian Tables, 1934, стр. 321.
501
Если разность температур (Г, — 7\) мала, этот перенос тепла
может быть выражен и так:
W= 5,5 X 10“12ГДГ кал.'сек-см2 (48)
В виду того что абсолютная температура входит в выраже-
ние в третьей степени, мы видим, что значение излучения, как
средства переноса тепла, увеличивается с повышением темпера-
туры, пока, наконец, обычная теплопроводность по сравнению
с ним не станет величиной пренебрежимо малой.
При исключительно высоких температурах действие перего-
родки на отдачу тепла такое же, как действие излучающего экрана
или ряда экранов. Действие экранов может быть пояснено на при-
мере двух бесконечно плоских параллельных абсолютно черных
поверхностей с температурой 7\ и 7\.
Если поставить между этими поверхностями тонкий черный
экран, то перенос тепла излучением уменьшается до 112 его перво-
начального значения. Два экрана друг за другом снижают его
до Vs, ТРИ экрана—до V* и т. д.; если же вместо черных
экранов применить рефлекторы из полированного металла, то
эффект от перегородки будет еще значительнее. В высокотемпера-
турных электропечах трубу печи и ее обмотку часто оберты-
вают тонким листом какого-нибудь металла, например молибде-
ном, служащим экраном, отражающим большую часть излучае-
мой энергии, теряемой трубой внутрь, и снижающим, таким
образом, потребляемую печью энергию. Иногда вторая огнеупор-
ная труба окружает первую, действуя как теплоизолятор.
Низкие температуры
Умеренно низкие температуры получаются в лаборатории по-
гружением предметов в ванны из льда и соли, „сухого льда"
со спиртом или ацетоном, жидкого воздуха и т. д. Получен-
ные таким путем различные температуры приведены в табл. 4.
Методы получения весьма низких температур чрезвычайно
сложны (Л. XII, 18).
Таблица 4 Охлаждающие смеси для замораживания и охлаждающие ванны постоянной температуры
Ванна Л°С)
NaCl 33 части, плюс снег 100 частей СаС12 4- 6Н2О 100 частей, плюс снег 70 частей Жидкий азот точка кипения . . . Жидкий кислород.... точка кипения . . . Твердое СОа темп, возгонки . • . Ртуть темп, плавления . . -21,3 — 54,9 —195,8 — 183 — 78,5 — 38,9
502
Способы получения высоких температур
Пламя. Применение пламени дает наиболее простые и удобные
способы получения высоких температур.
Рис. 4 иллюстрирует применение паяльной трубки и спирто-
вой лампы, показывая также, как пользоваться собственными
щеками в качестве мехов для получения - непрерывного давления
воздуха.
На рис. 5 изображена обыкновенная бунзеновская горелка. Она
Рис. 4. Работа с паяльной трубкой.
1 — шеки следует надувать, чтобы получилась равномерная струя воздуха;
2 —паяльная трубка; 3 — регулировочная муфта; 4 — спиртовая лампа; 5 —
изделие, укрепленное граммофонными иголками; 6— кусок кузнечного угля
или толстого асбеста; 7—крышечка.
представляет собой просто трубку, снабженную в нижней части
насадкой с узкими отверстиями для светильного газа и боко-
выми отверстиями для входа воздуха. Через эти отверстия воз-
дух втягивается в горелку благодаря инжекторному действию
газа.
Воздух, втягиваемый вниз}7 трубки, смешивается в ней с го-
рючим газом, реагирует с ним над верхним концом трубки и дает
ровное пламя.
Горелка Бунзена протягивает сквозь свои отверстия лишь
того количества кислорода, которое требуется для сгорания газа.
Если с газом смешивается большее количество воздуха, то ско-
рость распространения пламени будет больше, чем скорость по-
ступления газа в трубку, и может произойти проскакивание пла-
мени внутрь. Поэтому необходимое для сгорания количество
воздуха добавляется к пламени уже над трубкой.
503
Природный газ, который содержит меньше во юрода, чем
угольный газ (иногда называемый „водяным газом"), обладает
значительно меньшей скоростью распространения пламени. Теп-
лота сгорания н химический состав некоторых распространенных
сортов горючих газов приведены в табл. 5.
Таблица 5
Горючие газы
Газ Британские тепловые единицы (БТЕ) на 1 куб. фут е0Н. °о СО "о veiana и этана и(; пропана и х бутана
Угольный газ . . 527 58 6,0 27 0
Природный газ . 1100 0 о,! 2
Блаугаз .... 3037 0 0 0 100
Вследствие того что у природного газа мы наблюдаем большую
склонность к потуханию, чем у угольного или „водяного" газа, при-
Рис. 5. Обычная бунзенов-
ская горелка с приспособ-
лениями,предотвращающими
проскакивание пламени и
потухание.
шлось изобрести приспособления, напо-
добие \ казанных на рис. 5 б и в, которые
служат для уменьшения скорости выхода
газовой смеси. Пламя, даваемое этой :-а-
мецленной в своем движении частью сме-
си, не гаснет и препятствует потуханию
главной части пламени. Узкая трубка
может быть припаяна к горелке, как
показано на рис. Ьа. Она также служит
для регулирования горения пламени и для
предупреждения его потухания.
Горелка Мекера —это горелка того
же типа, что и бунзеновская, но с рас-
ширенной верхней частью трубки,
снабженной никелевой решеткой, как
показано на рис. 6. . Горелка Мекера
может гореть на светильном газе с
большей примесью воздуха, чем бун-
зеновская горелка, так как решетка, действуя как сетка в
лампе Деви, предотвращает проскакивание пламени. Горячий
внутренний синий конус бунзеновского пламени здесь заменяется
целой серией маленьких конусов над каждой ячейкой решетки.
Ряд таких конусов образует пламя, которое оказывается и более
горячим и с более равномерным распределением температур на
594
большей площади, чем у бунзеновской горелки. Распределение
температуры в пламени мекеровской и бунзеновской горелок
с светильным газом в качестве горючего изображено на рис. 1-
Рис. 6. Горелка Ме-
кера с сеткой.
1-—нике.^евгя сетки; 2—;гя.
Гис. 7. Температура в пламени горе-
лок Мекера и Бунзена по Хаберу.
я — roj елка Мекеря и С — горелка Бунзен л.
Рис. 8. Ручная паяльная газовая горелка по Е. Ангереру.
1 — воздух; 2 — газ; .3 —трубка латунная 0 4—'» мм; 4 — трубка латунная
0 7—8 мм. длина 200 мм, обернутая шнурком для предохранения руки от
ожота. Обе трубки спаяны серебром вдоль и запаяны на конце; 5—внут-
реннее отверстие 0О,С—0,4 мм: 6 — наружное отверстие 0 1,5—2 мм.
Для получения более высокой температуры, будь то с горел-
кой Мекера или Бунзена, газ следует сжигать с воздухом или
с кислородом по i, давлением пат насадкой специальной формы,
изображенной на рис. 9 и 10, или в специальных горелках типа
так называемого крана Даниелз (рис. 9). Когда сжигается натураль-
ный газ с воздухом, необходим специальный наконечник (рис. 9,
справа). Другой способ сжигания газа для получения высокой
503
Рис. 9. Газовые горелки для
натурального газа с тонкой
регулировкой смешения и де-
тали ручной горелки.
I — воздух; 2 — газ; 3 — форма пер-
форированной пластинки; 4—отвер-
стия 0 1,5 мм; 5 — отверстия 00,6 мм;
6 — отверстие 0 3 мм; 7—подогрев-
ная камера длиною 10—12 мм; 8—
место крепления перфорированное
«пластинки; ,9—тело наконечника иэ
никеля.
Рис. 10. Два типа наконечников Рис.' 11. Водоструйный насос
для газовых горелок. в"качестве воздуходувки.
Г—сопло для'воздуха; 2 — подача I—кран водопровода; 2— подача воз-
газа; 3— воздух или кислород. духа (можно подавать и газ); с— труб-
ка к горелке; 4— водоструйный насос;
5 — металлический резервуар; 6 —
воздушный дроссель; 7 — сток воды;
8 — давление.
Рис. 12. Кислородно-ацегиленовая ручная горелка.
-506
температуры — пропустить струю газа или кислорода сквозь
газовое пламя, как показано на рис. 10.'
Простое приспособление с применением водоструйного насоса
для получения сжатого воздуха под умеренным давлением изо-
бражено на рис. 11.
Рис. 13. Наконечник
кислородно-ацетиленовой
i ручной горелки.)^
1.,'—шестигранный накоиеч-
ник; 2 — смесь газа с возду-
хом или кислород; 3—от-
верстие для тонкого пламени
0 0,2 мм; для нормального
пламени 0 2,3 мм.
Рис. 14. Распределение тем-
пературы в пламени кисло-
родно-ацетиленовой горел-
ки и в пламени вольтовой
дуги.
Рис. 15. Печи для плавления, подогреваемые газовыми горелками.
1 — огнеупорные детали; 2 — температура тигеля 1500° С; 3 — горелка
Мекера направлена тангенциально в боковое отверстие; 4—газ; 5— воздух;
€— иасадкд цз кусков окиси алюминия; 7 — место, где температура тигля
до 2000°С; 8— никелевая сетка.
507
Самые высокие температуры получаются при пользовании
горелками для гремучего газа или ацетилено-кислородными горел-
ками. Особенно можно рекомендовать для этих горючих имеющиеся
в продаже горелки, вро^е изображенной на рис. 12. Горелки эти
снабжены смесителем, обычно помещающимся в ручке, для полу-
чения гомогенной смеси газа: горючего и кислорода. Весьма суще-
ственно, чтобы была действительно гомогенная смесь кислорода
и горючего, так как в противном случае горелки сами себя заду-
вают. Тип сменной насадки для них изображен на рис. 13.
Рис. 16. Упрощенная печь,
подогреваемая паяльной лампой
или стеклодувной горелкой.
1— огнеупорные кирпичи; 2— горелки.
Рис. 17. Электрическая цилин-
доическая печь.
1 — поднодка тока; 2 — обмотка иа
хромели или нихрома; 3 — железная
труба, покрытая листами слюды; 4—
теплоная асбестовая изоляция; 5 —
колмю н дно из асбеста с цементом
нли жидким стеклом (прокаленное).
На рис. 14 показано распределение температуры в ацетиле-
ново-кислородном пламени, а также в пламени угольной вольто-
вой дуги (Л. XII, 11, 17).
Для нагревания крупных предметов до более высокой темпе-
ратуры, чем та, которую можно получить, пользуясь горелками,
требуется уже применение печи. Газовые печи, весьма пригодные
для работы в лаборатории, представлены на рис. 15 и 16.
Кислород но- газовые печи могут давать очень высокие темпе-
ратуры; например, Подзус и Вартенбург, Линде и Юнг описали
печи с набивкой из двуокиси циркония, в которых в качестве
горючего применяют светильный газ или пары нефтяных масел
(Л. XII, 22, 28). Температура в этих печах достигает 2600° С
(Л. XII, 27, 14).
Электрические печи. Электрические печи для температур
до 5С0°С, пригодные для таких работ, как просушивание
598
и прогревание ловушек с углем, могут быть приготовлены путем
наматывания нихромовой или хромелевой проволоки на железную,
обернутую слоем асбеста, трубу, как показано на рис. 17. Трубу
сперва покрывают куском слюды или асбеста во избежание корот-
кого замыкания витков обмотки. Простой способ .закрепления
концов обмотки показан на рис. 18. При изготовлении печей могут
быть использованы различного рода изоляторы. Например, внут-
реннюю трубку и обмотку из жароупорной проволоки с большим
сопротивлением можно покрыть несколькими слоями сырого
Рис. 1S. Способ закрепления
концов обмотки.
Рис. 19. Тигельная электриче-
ская печь.
1 — огнеупорный кирпич: 2 — нихро-
мовая обмотка; 3—асбест с жидким
стеклом (прокаленный). 4 —футля»
из листового же теза.
асбеста. Печь снабжается наконечниками из „транзита", в состав
которого входит жароупорный цемент. Транзит — это смесь асбе-
стовых волокон и портланд-цемента, получающаяся под высоким
давлением в виде плотных монолитных листов большой крепости
твердости и прочности. Необходимо избежать соприкосновения
между жароупорным цементом и проволокой печи при высоких
температурах.
Никелевая проволока также вполне пригодна в качестве об-
мотки для печи. Однако сопротивление ее при нагревании от
комнатной температуры до 500J С увеличивается почти вдвое,
Такое свойство является резким контрастом по сравнению со свой-
ствами сплава никеля и хрома, у которых изменение сопротивле-
ния совсем ничтожное. Изменение сопротивления никеля с тем-
пературой может оказаться как желательным, так и нежелатель-
ным. Оно желательно для облегчения регулирования темпера-
туры в печи.
Для электрических печей, работающих в воздушной среде
с температурой до 1100’ С, можно применять в качестве нагрева-
тельных проволок никель-хромовые сплавы, а в качестве подложки
под обмотку фарфор, алунд, кварц и трубки из обожженных
магнезитов и талькохлоритов. Инфузорная земля является пре-
красным теплоизолятором, так же как и жженая магнезия, квар-
509
цевый песок, известь и пр. Конструкция печи, наиболее пригодная
для лабораторного употребления, представлена на рис. 19.
Для температур от 1100 до 160СГ С для обмоток печи можно
применять только платину, если желательно, чтобы печь работала
в воздухе. Для получения температуры печи, наиболее близко под-
ходящей к этому пределу, Ортон и Крэбиль применили концент-
ричную с платиновой обмоткой (Л. XII, 21) добавочную хромелевую
Рис. 20. Печь для прокаливания в водороде.
1—пламя водорода; 2—провод к источнику тока; 3—
фарфоровый изолятор; 4— подача водорода; 5 — алуи-
довая труба; 6 —железные болты; 7 —обмотки щ
молибденовой проволоки; В—крупный песок; В—алун-
доьая пробка; 1С— футляр из сварного листового же-
леза; 11—дно из толстого железа (сварено); 12— цен-
трующее кольцо, приваренное ко дну футляра.
обмотку трубки, навитую
снаружи платины. Плати-
новую проволоку можно
наматывать прямо на
плавленый кварц, кото-
рый выдерживает на воз-
духе нагревание до
13СС°С, на неглазурован-
ный фарфор, для кото-
рого предельная темпе-
ратура 1400° С, или на
глиняную основу, выдер-
живающую нагревание
до 1700° С. Однако лучше
всего пользоваться алун-
довой трубкой (окись
алюминия с глиной в
качестве связующего).
Предел температуры, ко-
торую она может выдер-
жать, равен 1900е С, т. е.
превышает температуру,
которую выдерживает
платина.
В восстановительной
атмосфере из кварца и из
фарфора образуется кремний, который действует химически на
платину.
Исходя из этого, печь с платиновой обмоткой лучше применять
в окислительной атмосфере. Если же платиновая проволока намо-
тана на алундовую трубку, то печь может работать и в восстано-
вительной среде.
В атмосфере водорода в качестве нагревательных сопротивле-
ний можно применить молибден. Предельная температура, которая
может быть при этом получена, равна 2200° С и даже достигает
3000°С. В качестве подложки для нагревательных сопротивлений
можно применять до 1900° алунд, до 2200°—магнезит, до 2500°—
цирконий, до 3000°—окись тория.
Фарфор в этом случае не годится, потому что водород при
высоких температурах, восстанавливая фарфор, покрывает его
черным налетом (Л. XII, 9).
510
На рис. 20 изображена новая печь с обмоткой из вольфрама
или молибдена. Большинство огнеупоров не могут быть подверг-
нуты действию столь высокой температуры в вакууме, так как
они либо улетучиваются, либо восстанавливаются (образующийся
при диссоциации кислород откачивается).
Рис. 21. Вакуумная электрическая печь по Арзему.
1—слюдяное окно с свинцовыми прокладками; 2—к вакуумному на-
сосу; ?— две трубки водяного охлаждения из красной меди; 4 —
уровень воды; 5—прокладка из фибры; 6—теплоизоляция из пе-
ска с алундом; 7 — алундовый тигель ня алундовой стойке в труб-
ке из угля (разрезанной по спирали); 8 —подача воды; 9 —проводя
к источнику тока от охлаждающих трубок; 10 — сток воды; 11 —
свинцовые прокладки; 12 —зажим нз красной меди; 12—резер-
гуар из листового железа; 14—резервуар из бронзы; 15 —зажимы
для крепления цилиндра; 16 — медиый зажим, такой же, как и нагер-
ХУ> 1?— медное дно; 18 — угольная трубка, разрезанная по спирали.
Печи с угольными и графитовыми трубками могут работать
в вакууме до температуры в 2000°. Выше этой температуры
углерод начинает улетучиваться, и при 2500° С скорость улетучи-
вания становится уже довольно большой. В водороде или азоте
температурный лимит таких печей достигает 2000°.
При этой температуре наступает химическое взаимодействие
между углеродом и газом. Однако в атмосфере закиси углерода
511
(угарный газ) уголь может быть использован в качестве нагрева-
тельного сопротивления даже до температур в 3000 С.
Печь, сконструированная Арземом, может работать как в атмо-
сфере закиси углерода, так и в вакууме (рис. 21). В этой печи
нагревательное сопротивление представляет собою угольную
трубку, разрезанную по спирали для увеличения ее сопротивления
и при 1ания ей некоторой гибкости. Для соединения с электриче-
ской цепью на концах этой трубки укрепляются мощные медные
зажимы, охлаждаемые водою (Л. XII, 1).
^Нагревательные сопротивления для печей в виде зерен угля,
подобные изображенному на рис. 22, представляют большее
Рис. 22. Электропечь с со-
противлением из угля.
1 — огнеупорный кирпич; ’2 —
железное кольцо с привинчен-
ным к нему угольным кольцом.
3— насадки из кусочкоз угля: 4—
футляр из листового железа; > —
дно из асбеста с жидким стеклом
(прокаленное); 6 — угольный элек-
трод; 7 — кольцо из асбестц с
жидким стеклом или цементом;
8 — магнезитовый тигель: 9 — изо-
ляция из инфузорной земли.
Рис. 23. Дуговая лабораторная
печь по В. Шуину.
1— подковообразный электромагнит
для того, чобы отдувать дугу вниз
в ти-ель;2—огнеупорный кирпич; 3—
подвижные угольные электроды; 4 —
футляр из листового железа; 5— склад-
ная подстав'-з для угольного тигля
с водяным охлаждением; b— водяяое
охлаждение.
сопротивление, чем нагреватели из плотного угля; они очень
полезны в лабораторной практике.
На рис. 23 изображена печь с угольной дугой.
На рис. 24 представлена аппаратура, применяемая для спла-
вления металлов в вакууме при помощи тока высокой частоты.
Особенностью этого метода является то, что температура загрузки
металла оказывается более высокой, чем температура тигля, что
имеет большое практическое значение при работе с особо туго-
плавкими металлами (Л. XII, 20).
512
лов в вакууме.
А — общий вид; Б — разрез; В — крышка.
1 — водяное охлаждение; 2 — окошко; 3 — к источнику тока высокой частоты
(от 5 000 до 50 000 Hz); 4 — к вакуумному насосу; 5 — спираль из плоской медной
трубки сечением 9X12 мм; 6 — соединение, уплотненное пицеином; 7 — латунная
крышка; 8 — алундовый тигель; 9 — подставка из алундовой трубки; 10 — медная
трубка, припаянная серебром, вокруг края крышки; 11 — ялундовая пластинка;
112 — наружная трубка из спеченного молочного кварца („витрозил").
Рис. 25. Воз пушная баня для поддержания температуры
кипения с холодильником типа Либиха.
А —разрез; Б —деталь холодильника: диаметр наружной трубки
около 15 мм, диаметр внутренней трубки около 9 мм.
1—водяное охлаждение (длина холодильника от 450 до 500 мм);
2 — стеклянная трубка; 3 — объем, где поддерживается постоянная
температура; 4—металлический кипятильник с двойными стен-
ками; 5 —уровень воды.
33 Строит
513
Постоянные температуры („точки**). Постоянную температуру
в О СС можно поддерживать с помощью тающего льда, а темпе-
ратуру кипения воды — посредством приборчика, вроде изобра-
женного на рис. 25. Для получения других постоянных темпера-
тур можно пользоваться и другими жидкими и твердыми веще-
ствами, например температура 444,6° С может быть получена
с помощью кипящей серы. Некоторые постоянные температуры,
пригодные для калибрирования термометров и термопар, при-
ведены в табл. 6, а также в справочниках физических констант.
Таблица 6
Стандартные температуры
- Ванны 1 ГС
Двуокись углерода (температура возгонки). . Ртуть (температура плавления) Лед (температура таяния) Na2SO4« ЮН2О (температура превращения) . . МпС122Н?О (температура превращения).... Конденсация паров воды (760 мм давления) . . Нафталин (температура кипения) Олово (температура плавления) ....... Бензофенон (температура кипения) Сера (температура кипения) -78,51 -38,87 0 32,38 50,09 ' 100 217,96 231,84 305,9 444,6
Термостаты. Мы не можем описать все приборы этого рода.
Многие из них описаны в литературе, трактующей вопросы кон-
троля температур печей и термостатических бань (Л. XII, 6, 7,
8, 10, 2, 25, 29, 30). Однако принцип их работы одинаков для
всех, а именно: он состоит в уравновешивании количества тепла,
подведенного к печи, и количества тепла, теряемого печью. При-
ток тепла контролируется посредством качающегося индикатора,
который все время колеблется около своего среднего положения,
соответствующего требуемой температуре.
Отклонение его в ту или другую сторону от среднего положе-
ния характеризует подвод тепла. Когда стрелка указателя показы-
вает пониженную температуру, тогда подвод тепла автомати-
чески усиливается, когда же она указывает, что температура
слишком высока, то подвод тепла уменьшается. В этом смысле
температура собственно поддерживается не постоянной, а перио-
дически меняющейся в более или менее точно установленных
пределах вблизи средней температуры.
В качестве примера прибора, регулирующего температуру,
рассмотрим печь, которая своею обмоткою образует одно плечо
саморегулирующегося мостика Уитстона, при чем ток мостика,
проходящий по этому плечу, одновременно служит и нагрева-
тельным током печи. Обмотка печи для такого рода регулятора
514
может быть никелевой, молибденовой, вольфрамовой или плати-
новой, так как сплавы никель-хром не обладают необходимым
„ходом" температурного коэфициента сопротивления, т. е. изме-
нения его в зависимости от температуры. Другими сопротивле-
ниями в мостике могут быть реостаты, сделанные из никелевых
сплавов с малым температурным коэфициентом, например из кон-
стантана. Гальванометр мостика служит и для управления нагре-
вающим током.
Сравним этот метод с другим, где в качестве индикатора
и управляющего элемента использована термопара, помещенная
внутри печи.
Мы видим, что в этом случае получается большое отставание
во времени между моментом изменения количества подводи-
мого тепла и моментом его воздействия на термопару. Вслед-
ствие этого с регулятором температуры с термопарой пределы
колебаний температуры в печи оказываются более широкими,
чем в том случае, когда в качестве индикатора служит сопро-
тивление самой нагревательной обмотки.
Но даже при использовании в качестве индикатора самой на-
гревательной проволоки печи, колебания температуры, вызванные
собственными периодами вспомогательных инструментов, оказы-
ваются неизбежными. Эти колебания температур можно умень-
шить введением чередующихся прослоек термического балласта
и тепловой изоляции между нагревательными обмотками печи
и той областью ее, в которой должна поддерживаться постоян-
ная температура.
Передача изменений температуры сквозь чередующиеся тепло-
изоляционные прослойки происходит медленно. Сама труба печи,
которая отделяет нагревательные проволоки от внутренней поло-
сти с постоянной температурой, обычно уже отвечает этому тре-
бованию вследствие своей относительно низкой температуропро-
водности Л; например, можно достигнуть постоянства темпера-
туры с колебаниями не более 0,0Г С внутри трубы печи даже
тогда, когда период колебаний температуры наружной обмотки
печи порядка 30 сек., а амплитуда значительно превосходит ука-
занные пределы.
Прибор, изображенный на рис. 26, очень удобен для регулиро-
вания температуры (Л. XII, 23). В нем в качестве чувствительного
индикатора и регулятора служит дифференциальный газовый тер-
мометр.
Оба баллона прибора имеют одинаковые объемы и снабжены
идентичными нагревателями из нихрома. Они включены в схему,
как показано на рис. 27. Баллончики наполнены воздухом, и давле-
ние с каждой стороны ртутного столбика между ними должно
быть такое, чтобы верхняя поверхность ртути была на уровне
контакта из вольфрама, если падение напряжения у левого со-
противления (реостата — рис. 26) такое же, как падение напря-
жения на правом сопротивлении. Эти падения вольтажа
33*
515
должны быть равны между собой в том случае, когда сопротив-
ление чувствительной катушки термометра сопротивления сде-
лается как раз равным постоянному сопротивлению катушки
сравнения из константана (рис. 27).
Рис. 26. Электрический терморегулятор по
Р. Проктору и Р. Дугласу.
Масштаб в дюймах.
1—'нихромовая проволока 0 1,5 мм; 2—ртуть;
3— кран; 4— сужение капиллярной трубки.
Рис. 27. Схема включения элек-
трического терморегулятора.
1— подогреватель для поддержания
постоянной температуры нли термо-
метр сопротивления; 2—постоянное
сопротивление; 3—реле; 4—к нсточ-
£нику тока; 5— прибор (рис. 26).
Эти последние два сопротивления регулируют таким образом,
чтобы они стали одинаковыми при заданной температуре. Если
температура чувствительного сопротивления термометра слишком
высока или слишком низка, получится разность в нагреве обоих
баллончиков и, в результате этого, разность давления в бал-
лончиках разомкнет или замкнет ртутный контакт. Это, в свою
очередь, вызывает срабатывание реле, изменяющее подогрев, и
изменяет ток мостика.
Сопротивлением, применяемым для приведения в действие
этого регулирующего приспособления, может служить и само
нагревательное сопротивление или же отдельное, специально
подобранное для этой цели.
516
Пр В последнем случае такая установка
г£чгодна и для поддержания постоянной
мпературы в комнате. Чувствительное
сопротивление подвешивается к потолку
комнаты (приблизительно на расстоянии
2—2,5 м от пола), а нагреватели, пригодные
для данного случая, которые являются по
существу регуляторами температуры, рас-
полагаются перед вентиляторами, через
которые воздух просасывается в комнату.
В термостатических ваннах для обыч-
ных температур применяют воду, для
более высоких температур — масло или
эвтектические смеси разных солей, для
низких температур — спирт. Битти указы-
вает (Л. XII, 2) состав для двух эвтекти-
ческих ванн (табл. 7). Эти ванны пригодны
для температур выше 120°. Нижний предел
их рабочего температурного интервала пе-
рекрывает верхние температурные границы
ванн с минеральными маслами (150 — 300°С)
и в частности с тяжелым цилиндровым
маслом.
Температура водяной ванны регули-
руется изменением подвода тепла. Стеклян-
ный шарик с ртутью и контактами, при-
Рис. 28. Терморегулятор
по В. Оствальду для га-
зовых подогревателей.
1— ртутный запор; 2— напил*
лярная трубка.
соединенными к реле, как показано на рис.
18 (гл. X), пригоден для этих ванн при
нагревании их электрическим током. Очень
удобно для контроля температуры ванн,
нагреваемых газом, приспособление, изоб-
раженное на рис. 28.
Отверстие, через которое газ проходит к пламени, регули-
руется термическим расширением и сжатием ртути. С таким
приспособлением колебания температуры в ванне могут быть
сведены примерно к 0,ГС.
Таблица 7
Жидкости для высокотемпературных бань
Баня
Минеральное смазочное масло. . ,
Тяжелое цилиндровое масло . . . ,
30о/о LiNO3 (по весу) ]
14о/о NaNO3 (по весу) > (сплавить)
56о/о KNO3 (по весу) J
Т (°C)
200
150—300
120—500
517
Измерение температуры. На практике температура опреде-
ляется измерением какого-нибудь свойства, чувствительного к изме-
нениям температуры, например: излучения света, электрического
сопротивления, длины, объема, термоэлектродвижущей силы
и т. д. Все физические свойства, изменяющиеся с температу-
рой, могут служить для целей ее измерения, хотя некоторые
из них, например испускание электронов (термоэлектронная
эмиссия), настолько зависят от наличия химических примесей или
предшествующей физической истории вещества, которое служит
основанием для таких измерений, что применение их оказывается
непрактичным.
Отсчеты жидкостных термометров производятся на основании
зависимости изменения объема от температуры.
Два термометра этого типа представляют для нас особый
интерес. В одном из них применен галлий в качестве жидкости
и плавленый кварц для капилляра и для шарика. Такой термометр
пригоден для .высоких температур (примерно до 1000°С), в отличие
от ртутного термометра, который обычно применим для температур
до 200—300 °C. Однако при наполнении азотом под высоким
давлением (до 40 ат) ртутные термометры можно нагревать значи-
тельно выше 300°С.
Другой термометр — графитовый с расплавленным оловом
в качестве жидкого наполнителя для шарика—был изготовлен
Нортрупом. Этот термометр может применяться даже до 1680°
без заметного химического взаимодействия между оловом и гра-
фитом.
Поскольку олово при 1680°С еще не кипит, Нортруп (Л. XII, 20)
предполагает, что предел измерения температуры этим термомет-
ром может быть еще на несколько сот градусов выше. Уровень
олова в графитовом капилляре определяется вольфрамовым
щупом.
Для галлия охватываемый термометром интервал измеряемой
температуры от точки плавления до температуры кипения лежит
в пределах от-]-29,7° до 1600°С, а для олова от 231,8° до2260°С.
Ценность этих двух новых типов термометров зависит главным
образом от этих необычно длинных интервалов измеряемых тем-
ператур между точками плавления и кипения.
Термопары работают за счет термоэлектродвижущей силы,
появляющейся в результате разности температур в двух точках
контакта двух различных веществ. Термопары из разных метал-
лов можно применять в лаборатории для измерения температур,
начиная с температур жидкого воздуха до температуры плавления
молибдена (см. главу XIII).
Металлы, пригодные для этой цели, обычно продаются под
названием проводов для термоэлектрических пар (спаев). Пара
из проволок „хромель" и „алюмель" обладает значительной термо-
электродвижущей силой. Иногда на заводе, их изготовляющем,
они бывают так подобраны, что обеспечивают в широких пре-
518
делах измерение температуры с точностью + 5°С. Эта пара сплавов
принята в СССР в качестве основной образцовой термопары
и введена в соответствующий ОСТ. Пара медь и константан
также цает высокую термоэлектродвижущую силу (но эта пара
Рис. 29. Установка по А. Вернайлю для изготовления искус-
ственных рубинов и сапфиров.
1 — бункер для сбрасывания порошка окиси алюминия; 2 — резиновая
пробка; 3— кислород; 4— чистая окись алюминия без примеси калия из
белых сапфиров (искусственный бриллиант) с примесью: 0,12% окиси
тигана для получения голубых сапфиров или 2,5% окнси хрома для полу-
чения рубинов; 5—газ; 6—сетка (25 проволок на см); 7— водяное охла-
ждение; 8 — опрокинутый тигель; 9 — слюдяное окошко; 10—шарик из
сплавленного А12О3 на конце платиновой трубки; II— подставка железная;
12—кремальера для поднимания и установки (горизонтальная установка
достигается простым передвижением по столу); 13—железный щиток;
14 — плавленная окись алюминия; 15—платиновый наконечник;
16 — штатив.
519
в ОСТы не входит). Преимущество медной и константановой про-
волок перед парами хромель- алюмелиевыми заключается в том, что
они легко спаиваются. Пара Ле-Шателье (платина и сплав пла-
тины с 10% родия) применяется для точных измерений. Специ-
альные термопары из вольфрама — молибдена, вольфрама—тантала
и их сплавов пригодны для очень высоких температур, но их
надо защищать от окисления или применять в вакууме.
Рекомендуется каждую термопару отдельно прокалибрировать
при помощи ванн с постоянной стандартной температурой, на-
пример с помощью ванн, указанных в табл. 6. Однако лучше вос-
пользоваться градуировочной кривой, приложенной заводом,
которая дает термоэлектродвижущую силу через небольшие тем-
пературные интервалы, и вычертить исправленную кривую, исходя
из данных нескольких точек градуирования в ванне.
Оптические пирометры позволяют измерить температуру по
количеству излучаемого нагретым предметом света. Имеется
несколько типов таких пирометров; описание их, работа с ними
и их основные характеристики изложены во многих книгах.
В том типе пирометров, который чаще всего встречается, изме-
рение производится при помощи специального фотометра, опре-
деляющего интенсивность монохроматического света (6600 А),
испускаемого раскаленным телом, температуру которого надо
измерять.
Табл. 8 пригодна для примерной оценки температуры (на глаз)
по цвету накала.
Таблица 8
Определение температуры по цвету накала1
Цвет
Приблизительная
(°C) температура
Начало (появление) красного каления
Темнокрасное каление ..............
Яркокрасное каление ...............
Желтовато-красное каление..........
Начало белого каления..............
Белое каление.................• . .
500 до 550
700
930
1100
1300
1500 и выше
1 Эта таблица пригодна для оценки температуры только „черных” поверхно-
стей. При избирательном излучении она приводит к ошибкам, например расплав-
ленная сталь кажется более темной, чем ее окалина. Прим. ред.
ГЛАВА XIII
СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ
В ЛАБОРАТОРНОЙ ПРАКТИКЕ
Чистые металлы
Щелочные металлы. Щелочные металлы применяют в фото-
элементах в качестве светочувствительных поверхностей или
в виде тонких пленок как фильтры для ультрафиолетового
света; в газообразном состоянии этими металлами можно поль-
зоваться для демонстрации явления светового резонанса. Мы
опишем вкратце некоторые основные приемы обращения с этими
металлами, химически очень активными.
Чистый щелочной металл всего проще получить из хими-
чески чистого хлористого соединения путем восстановления
с металлическим кальцием в стеклянной трубке, в вакууме:
2 MCI + Са -> 2М+СаС12. (1)
Реакция протекает в указанном направлении лишь при высоких
температурах, вследствие улетучивания паров свободного щелоч-
ного металла М. Реагирующие вещества можно заменить: вместо
хлорида можно взять хромат щелочного металла, а вместо метал-
лического кальция — металлический цирконий. Эта реакция при-
менима в такой форме для получения любого щелочного металла,,
кроме лития, который реагирует со стеклом и с кварцем; литий
лучше восстанавливать из его хромата с цирконием в железном
сосуде.
Рассмотрим подробнее, как с помощью реакции, записанной
в виде уравнения (1), можно получить чистый калий. В железной
трубочке, закрытой с одного конца, смешивают в стехиометри-
ческой пропорции порошкообразный хлористый калий и опилки
металлического кальция (3,7 ч. КС1 и 1 ч. Са). Эта железная
трубочка вводится в расширенный конец стеклянной трубки,
сделанной из тугоплавкого стекла и присоединенной к вакуумной
системе. Стекло следует взять потолще для того, чтобы получить
521
тиаксимальную температуру. При более низких температурах, при
которых, однако, более тонкое стекло все же начинает стяги-
ваться, реакция протекает очень медленно.
Когда железная трубочка будет введена в стеклянную, послед-
нюю запаивают с помощью ручной горелки. После того как
достигнут хороший вакуум, смесь нагревают сначала медленно,
затем все сильнее, пока реакция не совершится до конца. Реаги-
рующую смесь можно нагревать до тех пор, пока стекло не начнет
размягчаться, но слишком сильного разогревания следует избе-
Рис. 1. Дестилляция щелочных металлов.
1— металлический калий сначала конденсируется здесь. Затем это место
нагревается, и калий стекает в ампулу; 2—железная трубка, содержащая
опилки кальция и порошкообразный хлористый калий; 3— к вакуумной
системе; 4— ловушка для жидкого воздуха; 5 — ампула; 6— когда ампула
наполнена, она здесь отпаивается.
гать, чтобы не начал испаряться металлический кальций. Вос-
становленный и один раз перегнанный металлический калий
конденсируется обычно на изгибе стеклянной трубки, как пока-
зано на рис. 1. Отсюда же при нагревании пламенем он стекает
в приемную ампулу, в которой и запаивается.
Так как щелочные металлы сильно реагируют с воздухом,
то ампулу с металлом следует открывать без доступа к нему
воздуха. Делается это следующим образом: ампулу изготовляют
из стекла пирекс с впаянным в него кольцеобразным вольфра-
мовым ободком, предназначенным для разламывания стекла.
После того как ампулу запаяют в вакуумной системе, вольфра-
мовый ободок следует нагреть током высокой частоты, тогда
стекло лопнет, и ампула откроется (рис. 2).
На рис. 3 представлена форма ампулы, не требующей нагре-
вания током высокой частоты; в ней стекло лопается от удара
бойком. Изображенное на рисунке углубление в стенке трубки
служит предохранителем для разбивающего ампулу грузика,
522
являющегося якорем электромагнита, — оно препятствует случай-
ному разрушению ампулы в процессе припаивания всего прибора
к высоковакуумной системе.
В конце процесса припаивания углубление раздувают на-
столько, чтобы через него мог пройти якорек. Этот якорек при-
водится в действие извне с помощью электромагнита; он отбивает
кончик ампулы, открывая тем самым выход щелочному металлу.
Чтобы облегчить отламывание, на кончике ампулы можно при
помощи напильника сделать царапину.
Рис. 2. Вскрывание ам-
пулы со щелочным ме-
таллом путем нагревания
током высокой частоты
вольфрамового кольца,
надетого на нее.
1—металлическое кольцо для
получения трещин на разби-
ваемой ампуле (после того,
как оно нагрето током высокой
частоты); 2 — обмотка для
подведения тока высокой ча-
стоты; 3 —часть стеклянной
ампулы, наполненная щелоч-
ным металлом; 4 — к вакуум-
ной системе.
Рис. 3. Вскрывание ампулы со щелочным метал-
лом отбиванием кончика запаянного * капилляра.
1 — предохранительное углубление (вмятина), предупрежда-
ющее преждевременное разбивание конической ампулы. Эту
вмятину раздувают после того, как ампула иапаяна на
вакуумную систему; 2— железный электромагнитный якорь,
запаянный в стеклянную трубку, чтобы он не выделял
газов. При действии ручным магнитом этот якорь отбивает
кончик ампулы; 3— здесь спай присоединяется к вакуумной
системе; 4 — ампула, содержащая щелочной металл.
Ампула на воздухе может быть открыта после охлаждения
в чашке, на дне которой находится твердая углекислота („сухой
лед“), а сверху — газообразная углекислота. Кончик отламывается
под газообразной кислотой. Затем ампулу быстро закладывают
в вакуумную систему, запаивают и откачивают. Проникшая сквозь
вскрытый кончик в ампулу углекислота предохраняет щелочной
металл от действия воздуха.
Щелочной металл, поступающий в продажу в виде маленьких
кубиков или кусочков неправильной формы, надо хранить под
слоем керосина. Такой металл можно очистить и подготовить
к использованию следующим образом (Л. XIII, 18). Сначала его про-
мывают в сухом петролейном эфире или в бензине. Петролейный
523
эфир или бензин надо предварительно высушить путем встряхива-
ния смеси с прокаленным хлористым кальцием. (Для промывания
металла не следует пользоваться треххлористым углеродом или
хлороформом, так как при этом образуется взрывчатая смесь.)
Затем металл, расплавленный на дне 8-миллиметровой пробирки,
всасывают с помощью резиновой трубочки в 1-миллиметровую
капиллярную стеклянную трубочку, один конец которой надо за-
паять пламенем как раз у поверхности металла, а другой — заде-
лать мягкой вакуумной замазкой. Когда понадобится небольшая
порция металла, от этой стеклянно-металлической палочки можно
отрезать острогубцами кусочек необходимой длины и поместить
его в перегонный баллон, который присоединяется к вакуумной
системе (рис. 4).
Рис. 4. Многократная дсстилляция щелочного металла в вакууме.
1—здесь присоединяется к вакуумной системе; 2—щелочный металл в
капиллярной трубке.
Металл перегоняется из ампулы А в С, оседает в В’, перегоняется из С в Е,
оседает в D и т. д., пока очищенный металл, в конце концов, не перегонится
в последний шарик.
Процесс перегонки технически чистого металла натрия,
рекомендованный д-ром К. Ф. Д. Овереджем, изображен на рис. 5,
при чем металл предварительно плавится в вакууме для освобо-
ждения его от водорода и углеводородов. (Объем содержащегося
в калии и в натрии водорода, измеряемого в газообразном
состоянии при атмосферном давлении, может в сто и двести раз
превышать объем самого металла.) Металлические кубики отмывают
от керосина, как было описано выше, и затем вводят в камеру I.
После того как вся система откачана, металл в этой камере
расплавляют. Камера I действует как делительная воронка.
Плавление осуществляется не слишком горячим пламенем, и
металл стекает в камеру II, оставляя шлак и грязь в камере I.
После этого камеру I отпаивают. В камере II металл нагревают
маленькой электрической печкой. Здесь его выдерживают в рас-
плавленном состоянии в течение нескольких часов и перегоняют.
Перегнанный металл конденсируется в трубке, обернутой хроме-
левой проволокой и изолированной асбестом, выше камеры II.
Это длительное плавление позволяет откачать пары углеводородов.
524
После такой обработки металл перегоняют в камеру III, нагревая
током проволоку, обернутую вокруг трубки конденсатора, после
чего отпаивают камеру II. В камере III собирается уже чистый
металл, в случае необходимости его можно еще раз расплавить
и перегнать в последнюю ампулу. Для перегонки щелочных
Рис. 5. Многократная дестилляция в вакууме значительных
количеств щелочного металла.
1—стеклянная крышка; 2—замазка; 3—промытый щелочной металл; 4—
первая отпагкч; 5 — 10-мм стеклянная трубка; 6 — внутренняя асбестовая
обмотка; 7 — подогревная обмотка около 9 оборотов на дюйме проволоки
нз хромаля; 8—асбестовая оболочка снаоужи; 9 — подводка тока от 3 до
4 амперов; 10 — вторая отпайка; 11 — подводка тока от 3 до 4 амперов;
12— нагреватель (аналогичный нижнему); 13— третья отпайка; 14— последняя
отпайка; 15 — к вакуумной системе.
металлов рекомендуется электрическое нагревание, так как при
нагревании паяльной лампой стекло может треснуть.
При работах со щелочными металлами следует соблюдать
следующие предосторожности: количество обрабатываемого ме-
талла никогда не должно быть больше, чем это необходимо. На
•случай вспышки под рукой всегда должен быть ящик с песком.
Никогда не следует допускать попадания в щелочные металлы
525
даже следов воды. Использованный металл и прибор, в котором
он находится, надо обязательно уничтожать, закапывая их в землю.
Прежде чем приступить к работе, надо надеть автомобильные
очки.
Небольшое количество чистого натрия можно получить путем
электролиза сквозь нагретую стенку электрической лампочки,
если баллон ее сделан из стекла, содержащего натрий. Для этой
цели всего удобнее 32-вольтовая лампочка, так как у нее более
толстая вольфрамовая нить, чем у 110-вольтовой. С этой целью
сначала надо откачать баллон лампы с помощью специально напа-
янного для этой цели отвода. Затем ее опускают в ванну из рас-
Рис. 6. Получение чистого натрия электролизом стекла по Р. Берту.
1 — струя воздуха для охлаждения верхушки груши; 2 — скопление метал-
лического натрия; 3 — во избежание образования брызг, нагревание надо
производить с края котелка; 4 — 32-вольтовая лампочка; 5— смесь азотнокислого
и азотистокислого натрия; 6 — железный котелок.
плавленной натронной селитры в смеси с азотистокислым натрием
и присоединяют к источникам электрической энергии, как пока-
зано на рис. 6. Ток переносится от вольфрамовой нити к стек-
лянной стенке баллона термоэлектронами и за счет газового разряда
в парах натрия, а в некоторых случаях путем получения разряда
в аргоне, которым предварительно наполняют баллон. Практиче-
ские детали этого процесса разработаны д-ром Р. С. Бертом,
который образно описывает этот процесс и объясняет его как
один из процессов, дающих возможность вводить натрий в вакуум
путем электролиза (Л. XIII, 3).
Свободный металл образуется из теряющих свой заряд ионов
натрия (которые при протекании тока мигрируют сквозь твердое
нагретое стекло, являющееся электролитом). Эти ионы нейтрали-
зуются электронами или отрицательными ионами натрия (или
аргона). К электролизу этого рода приложим закон Фарадея.
Сфотографированный спектр разряда в парах натрия показал
526
очень большую чистоту металла, полученного путем электролиза.
Д-р Берт установил, что загрязнения составляют не более двух
миллионных долей всего количества этого металла. Натрий, по-
лученный при помощи такого электролиза, совершенно свободен
от примеси водорода и углеводородов.
Ток электролиза меняется от нескольких миллиампер в начале,
когда ток целиком обусловлен электронами, до нескольких сот
миллиампер, когда он передается уже ионами натрия. Разряд
в парах натрия получается даже от простого трения воздуха
о стекло (например, если подуть на баллон лампочки, в которой
уже получено некоторое количество конденсированного металла).
Piic. 7. Резонансное свечение паров натрия по Р. Берту.
Берт утверждает, что в спектре от самого разряда в па-
рах натрия не обнаруживается явление обращения; зато такая
теплая лампа, содержащая натрий, флюоресцирует, если на нее
сфокусировать свет разряда от другой такой же лампочки
(рис. 7).
Натрий можно из лампы перегнать в кварцевые фотоэлементы
с помощью спая переходным стеклом, как показано на рис. 8.
' Электролиз калия тоже можно осуществить сквозь нагретое
калиевое стекло, если оно вовсе не содержит ни натрия, ни свинца.
Для этого пользуются ванной из расплавленного азотнокислого
и азотистокислого калия.
Щелочные металлы — калий и натрий — можно растворять в
летучем растворителе, жидком аммонии и, если нужно, получать
пленки этих металлов, удалять растворитель испарением. С литием
можно применить аналогичный прием, пользуясь этиламином в ка-
честве растворителя.
При повышенной температуре все щелочные металлы всту-
52?
пают в реакцию со стеклом, особенно со свинцовым; поэтому
при нагревании нельзя допускать их соприкосновения со стек-
лом.
Сопротивление воздействию натрия трубок из стекла пирекс
можно повысить, если их покрыть тонкой пленкой буры или
борной кислоты. Предназначенную для покрытия трубку напол-
няют горячим насыщенным раствором буры. Когда раствор
Рис. 8. Перегонка натрия, полученного электролизом стекла,
из лампы в фотоэлемент сквозь соединительную трубку
из переходного стекла.
1 —вольфрамовые электроды; 2— переходное стекло; 3 — место отпаи-
вания; 4— кварцевая колба; 5 — поверхность в колбе фотоэлемента,
которая должна быть покрыта натрием; 6 — слой металлического
натрия, который надо перегнать в фотоэлемент.
станет охлаждаться, бура в форме мельчайших кристалликов
оседает из раствора на внутренние стенки трубки. Когда все
стекло покроется сплошным тонким слоем кристалликов, раствор
выливают, трубку тщательно просушивают, откачивают, а следы
воды удаляют нагреванием. При этом трубку сначала нагревают
лишь слегка, а затем доводят до максимальной температуры, ко-
торую может выдержать стекло. Это создает в трубке равномер-
ную сопротивляющуюся воздействию натрия внутреннюю по-
верхность.
Сплавы калий-натрий, содержащие от 45 до 90°'0 калия, при
комнатной температуре находятся в жидком состоянии.
528
Щелочноземельные металлы. Щелочноземельные металлы
применяют главным образом в качестве геттеров, что обусловлено
большим их сродством с кислородом, приводящим к образованию
стойких окислов, с углекислотой, дающей карбиды и окислы,
с водой, с которой они образуют гидраты и другие соедине-
ния, и даже с азотом, с которым они образуют азотнокислые
соли.
Если свежие окислы кальция нагревать в кварцевой трубке
или в толстостенном отростке трубки из стекла пирекс, припаян-
ном к какому-нибудь прибору, например к термоэлектрорадио-
метру, то кальций реагирует со всеми остающимися там газами (за
исключением благородных газов). С таким отростком очень хоро-
ший вакуум может быть получен даже в том случае, если откачка
начинается с атмосферного давления. Так, например, с такой
боковой кальциевой трубкой можно получить спектр аргона
в разрядной трубке, если ее 1 —2 раза наполнить воздухом при
атмосферном давлении, а затем поглощать этот воздух кальцием.
Каждый раз, как трубка откачивается, начиная с атмосферного
давления, кальцием, остаточное давление аргона (вычисленное
на основании содержания его в атмосфере) увеличивается на
7 X Ю-2 мм.
Барий является еще более активным металлом, чем кальций.
Его обычно употребляют в качестве геттера в обычных усилитель-
ных электронных лампах. Для этой цели металл отливают в ни-
келевую или медную трубку, которую затем протягивают, как
проволоку, до диаметра 1,5 — 2 мм. Эти биметаллические прово-
локи называются Ни-Ба- и Ку-Ба-проволоки; их изготовляют
на всех больших заводах радиоламп. Проволоки нарезают на неболь-
шие кусочки и вводят в радиолампы, а также во все другие
приборы, где необходимо воспользоваться действием геттера.
Летучая сердцевина металла испаряется в нужный момент обра-
ботки из никелевой или медной оболочки при разогревании по-
следней через индукцию током высокой частоты; можно разогреть
и при помощи маленькой печки, состоящей из нескольких вит-
ков тонкой нихромовой проволоки, намотанной на геттер,
обернутый ленточками слюды.
Ртуть. Хотя по своей химической инертности ртуть прибли-
жается к благородным металлам, однако она легко загрязняется,
преимущественно другими металлами. Происходит это оттого,
что ртуть, вследствие своей подвижности, является очень хоро-
шим растворителем.
Простой способ испытания чистоты ртути состоит в погру-
жении в нее чистой стеклянной палочки. Если металл чистый,
ни одна капля ртути не пристанет к палочке.
Обычно загрязнения, присутствующие в ртути, классифици-
руют в соответствии с темп способами, при помощи которых они
легче всего могут быть удалены.
34 Стронг
529
В первую группу входят поверхностные загрязнения материа-
лами, не растворяющимися в жидком металле; их можно удалить
многократным фильтрованием металла сквозь маленькое отвер-
стие в фильтровальной бумаге или, что лучше, давлением сквозь
замшу.
Рис. 9. Способы очистки ртути.
А — окисление примесей воздухом; Б — пропускание сквозь столб кис-
лоты; В —перегонка.
1—при продувании воздуха через ртуть многие из растворенных метал-
лов превращаются в нерастворимые окиси, которые образуют пленку на
поверхности ртути; 2—другие металлы удаляют путем пропускания ртути
через 10% HNO3 или 80% H2SO.; ?— пленку удаляют путем процежива-
ния через отверстие в фильтровальной бумаге; 4— водяное охлаждение;
5— кипятильник с температурой от 180 до 200°; 6— к вакуумной системе.
Благородные металлы и олово удаляют только путем перегонки в вакууме.
Вторую группу составляют растворенные металлы. Те из них,
которые легко окисляются, следует сперва превратить в нераство-
римые окислы длительным продуванием сквозь слой ртути пузырь-
ков воздуха, как показано на рис. 9 А. Окислы эти образуют на
поверхности ртути пленку, которую можно отфильтровать. Практи-
чески ртуть можно считать свободной от загрязнений этого рода
лишь в том случае, когда после продувания воздуха сквозь жид-
кий металл в течение 112 часа никакой заметной пленки на поверх-
ности ртути уже не образуется. В эту группу загрязнений вхо-
дят щелочные металлы; сюда же относится цинк, обладающий боль-
шим давлением паров, а также медь и свинец, обладающие малым
давлением паров. Эти металлы, химически более активные, чем
ртуть, можно, кроме того, удалить промывкой ртути 10-процентным
раствором HNO3 или 80-процентным раствором H.2SO4 (рис. 9 Б). В
третью группу входят другие растворенные металлы, в том числе
530
благородные металлы и олово; их нельзя удалить ни окислением, ни
обработкой кислотами. •
Медь и свинец следует, пожалуй, также отнести к этой группе
загрязнений.
Эти металлы можно удалить только перегонкой ртути в ваку-
уме при температуре около 180—200 С (температура, при которой
ртуть перегоняется со скоростью */2 г см2-сек. в приборе, изобра-
женном на рис. 9 В).
Таблица 1
Давление паров ртути
Температура (°C) Давление паров (мм)
0 20 100 200 0,0002 0,0013 0,27 17,0
Давление паров ртути при разных температурах приводится
в табл. 1. Следует обратить особое внимание на то, что плот-
ность паров ртути при комнатной температуре во много раз
больше предельной плотности, при которой они не считаются
уже опасными в смысле отравления и которая равна 1 милли-
грамму ртути на кубический метр воздуха. Согласно данным
Стока, большинство людей заболевают, если в течение нескольких
недель будут дышать воздухом, кубический метр которого
содержит всего только 15 микрограммов ртути (Л. XIII, 16).
Во многих лабораториях давление паров ртути бывает опасно
высоким.
Так, например, в одной из лабораторий обычная концентрация
паров ртути в воздухе оказалась от 20 до 60 микрограммов на
кубический метр, а в одной из комнат даже 500 микрограммов
на кубический метр. Теплота, получающаяся при движении ртут-
ного насоса, обычно увеличивает концентрацию паров ртути
в воздухе раза в два (Л. XIII, 15).
Металлы группы платины. Платина оказывается химически
стойкой по отношению и к щелочам и даже к фтористоводород-
ной кислоте. Однако на нее действуют пары хлора и царская
водка. Соли некоторых металлов не следует прокаливать в пла-
тиновой посуде, потому что под действием восстановленных метал-
лов получается ухудшение механических качеств, и платина ста-
новится хрупкой. Это особенно справедливо для различных
свинцовых солей. Фосфор и кремний также действуют на платину,
делают ее хрупкой и изменяют другие ее свойства. Так, например,
Даже ничтожные количества кремния, проникающие в платину,
34* 531
когда она прокаливается вместе с фарфором в восстановительной
атмосфере, вызывают заметные изменения в термоэлектродви-
жушей силе и в электрическом сопротивлении ее.
Платина настолько дуктильна, что из нее непосредственно можно
вытянуть проволоку диаметром 20 и. По способу Волластона,
платиновый сердечник покрывают плотно прилегающей к нему
серебряной защитной трубкой, и такую сложную проволоку про-
тягивают сквозь алмазные глазки. Если с вытянутой таким спо-
собом нити стравить азотной кислотой серебро, то получается
Рис. 10. Скорость диффузии (в граммах на глубину 1 см сквозь
1 см2 в секунду) и поглощения водорода тяжелыми металлами
при разных температурах.
платиновая проволока диаметром до 1li (см. стр. 254, гл. VI).
Волластонову нить часто применяют в качестве плавкого
предохранителя в очень деликатных инструментах (например,
в радиоусилительных устройствах). Поэтому такие предохранители
можно получать на заводах радиотехнической аппаратуры.
Одно физическое свойство платины представляет особый ин-
терес для физиков, это ее „прозрачность" к водороду при тем-
пературах выше 700°С (рис. 10). Этим свойством пользуются для
получения очень чистого водорода.
Платина — металл очень тугоплавкий. Поэтому ее можно при-
менять в качестве нагревательных обмоток электропечей и „керна"
(подложки) для оксидных катодов.
Иридий тверже платины, химическая стойкость его также
выше, чем у нее; на него не действует даже царская водка. По-
этому часто, чтобы получить металл, химическая стойкость
и твердость которого превышала бы эти же свойства у платины,
приготовляют сплав платины с 30% иридия.
Родий — исключительно стойкий металл, поэтому им поль-
зуются для создания прочных гальванических покрытий на других
532
металлах. Его тоже часто сплавляют с платиной (90 Pt и 10 Rh),
например для получения сплава Ле-Шателье для термопар.
Осмий наиболее тугоплавкий металл из семейства платины.
Он обладает точкой плавления в 2700сС. Прежде он даже употре-
блялся для лампочек накаливания, но затем был заменен сначала
танталом, а потом вольфрамом. Заметим, между прочим, что это
самое плотное из всех известных в настоящее время веществ:
его плотность 22,5 г см3.
Палладий наименее благородный из металлов семейства пла-
тины. Он окисляется при нагревании в воздухе и растворяется
в азотной кислоте. Водород диффундирует сквозь палладий
быстрее, чем сквозь платину. При атмосферном давлении палла-
дий растворяет около 6 мг Н2 на 110 г металла и образует „сплав“
Pd,H. Водород вновь выделяется, если металл нагреть в вакууме
до температуры выше 300гС (рис. 10). Этим свойством можно
пользоваться для получения очень чистого водорода в малых
количествах-
Тугоплавкие металлы: вольфрам, молибден, тантал и другие.
Вольфрам — самый тугоплавкий и самый крепкий металл. Про-
волока диаметром в 0,0036 см выдерживает разрывное напряжение
в 34 900 кг см2. По отношению к холодной и горячей обработке
вольфрам обладает совсем „необычными" свойствами. Протягива-
ние сквозь алмазные глазки делает его более гибким, в то время
как нагревание до температуры выше 1000 С вызывает рекристал-
лизацию и делает его хрупким; особенность прямо противопо-
ложная свойствам большинства металлов. Гибкость вольфрама
при обычных температурах обусловливается его длинными волок-
нистыми кристаллическими зернами.
На рис. 11 показана гибкость вольфрама при различных темпе-
ратурах. Следует отметить, что перекристаллизованный хрупкий
вольфрам становится гибким, если его нагреть до температуры
несколько выше 200 С.
Следы водяных паров вызывают коррозию на вольфрамовых
нитях в вакуумных электрических лампочках. Молекула воды
вступает в реакцию с раскаленным вольфрамом, образуя окись
вольфрама и атомный водород, которые оба улетучиваются
к стеклянным стенкам лампочки, где вследствие каталитического
действия стекла они вступают в реакцию и дают снова метал-
лический вольфрам и пары воды. Образовавшаяся вода снова
может реагировать с вольфрамовой нитью.
Вольфрам, нагреваемый в плохом вакууме, реагирует с кисло-
родом и окисью углерода, образуя окислы вольфрама и карбиды.
На вольфрам не действуют пары ртути и водород. В воздухе
разогретый до желтого каления вольфрам реагирует с кислородом,
образуя летучие окислы, которые возгоняются в виде белого
дыма.
Молибден более гибок, чем вольфрам. В других отноше-
ниях он очень похож на вольфрам, и оба эти металла дают
533
сплавы во всех пропорциях. Некоторые из этих сплавов имеются
в продаже.
Их свойства в основном являются промежуточными между
свойствами, обусловливаемыми высокой температурой плавления
вольфрама, с одной стороны, и большей легкостью механической
обработки молибдена — с другой.
Молибден и вольфрам не сплавляются и не образуют амальгам
с ртутью, но оба металла могут
быть спаяны с никелем или со
сплавом „Advance" (58% Ni, 22%
Fe, 20% Мо), которым иногда
заменяют молибден. Обычно ни-
кель приваривается электросвар-
кой к вольфраму для облегче-
ния дальнейшей точечной сварки,
спайки и сплавления с другими
менее тугоплавкими металлами.
Можно получить чистую бле-
стящую металлическую поверх-
ность вольфрама и молибдена,
нагревая эти металлы докрасна и
протирая поверхность кусочком
Рис. 11. Дуктильность вольфрама. азотистокислого калия или нат-
рия. Хорошо очищается поверх-
ность W и Мо травлением в расплавленных солях или электро-
литных ваннах. Молибден травится в едком кали, сплавленном
с 10% натронной селитры (брызги! работать в очках!), или
электролитически в насыщенном растворе едкого кали, а воль-
фрам в расплавленной натронной селитре или электролитически
в 10—20-процентном растворе серной кислоты.
Тантал во многих отношениях похож на молибден и на вольф-
рам. Очень чистый тантал является одним из наиболее гибких
металлов. Однако после нагревания в водороде или в воздухе тан-
тал становится хрупким. При отжиге тантала его следует нагреть
в вакууме до 800°С, лучше в хорошем вакууме, чем в обыч-
ном техническом при 5 X Ю-2 мм ртутного столба. Так как на-
гретый выше 800гС тантал легко отдает окклюдированный газ, то
он является наилучшим материалом для изготовления радиоламп.
Для обеспечения надежной точечной сварки тантал следует
погружать в треххлористый углерод или в воду. Его можно под-
вергать холодной механической обработке, пользуясь треххлори-
стым углеродом как смачивающей жидкостью, и стиральным
мылом для смазки. Тантал с вольфрамом дает термопару, при-
годную как для самых высоких, так и для относительно низких
температур. К сожалению, такая термопара работает только
в вакууме (С. И. Моругина „Телеграфия и телефония без проводов",
т. VII, № 2, 1926).
Ниобий, или колумбий, сходен с танталом и имеет много
534
общих с ним свойств. Он более стоек химически, менее тугоплавок
и обычно бывает даже более гибок, чем тантал. В последнее
время его иногда употребляют для замены тантала и вольфрама,
например для изготовления катодов.
Рений — наиболее тяжелый металл из марганцевой подгруппы
в периодической системе элементов и очень тугоплавкий; точка
плавления его лежит только на 200° ниже точки плавления воль-
фрама.
Все эти металлы являются обычными материалами электро-
вакуумной промышленности и их можно получать со складов
больших электровакуумных заводов, изготовляющих радиолампы.
Сплавы
Инвар. Сплав железа с никелем (63,5 Fe, 36 Ni, 0,5 Мп) назы-
вается „инвар“. Термический коэфициент расширения его очень
мал, но только при температуре ниже 120°С, когда он рав-
0 100 200 200 ЧОО 500 000 700 800 . 900 1000
Температура С
Рис. 12. Изменение сопротивления нагревательных проволок с тем-
пературой (в нагревательных печах).
1—нихром; 2—хромель С; 3—нихром V; 4—хромель А. Эти кривые представляют
собой средние значения. Реальные образцы материалов могут отличаться от этих
значений на незначительную величину при 20° С и до + 4и% при 1100°. Для точ-
ной работы образцы материалов должны быть проверены.
няется 4ХЮЛ на градус Цельсия. Теплопроводность инвара
также очень низкая и составляет лишь lj4G теплопроводности
меди. Инвар не ржавеет. Он употребляется при изготовлении
землемерных рулеток и инструментов, в которых требуется
535
чтобы размеры сохранялись постоянными, независимо от измене-
ний температуры. Сплав этот плавится при 1425°С.
Сплавы для электрических сопротивлений. Сплавы никеля
и хрома отличаются особенно высоким электрическим сопроти-
влением (почти в 58 раз большим, чем у меди) и низким темпера-
турным коэфициентом сопротивления, а также большой стой-
костью по отношению к окислению.
Наиболее типичными из этих сплавов является „хромель А“
и „нихром V"; состав последнего — 80° о Ni и 20° о Сг, а точка
плавления 1420е С.
Добавление некоторого количества железа к сплаву никеля
и хрома делает его более гибким. Образцами таких сплавов со-
держащих железо, является „нихром" (обычный) и „хромель С“.
Типичный состав нихрома — 60° о Ni, 12% Сг, 26% Fe, 2% Мп
и хромеля С — 64° о Ni, 11% Сг, 25% Fe. Точки плавления этих
сплавов соответственно равны 1350° С и 1390° С. Изменение
сопротивления с температурой для этих сплавов представлено
на рис. 12.
Сплавы для термопар. „Хромель Р“ в комбинации со сплавом
алюмель (94% Ni, 21|2% Мп, V^/o Fe) образуют самый лучший
материал для изготовления термопар. Обе проволоки термопары
для образования прочного спая сваривают вместе под флюсом из
буры. Ни один из сплавов типа хромель не поддается спайке
обычными припоями, но все они могут быть легко сварены с ни-
келем.
Константан (45%Ni, 55%Си) до температуры в 400°С прак-
тически имеет нулевой температурный коэфициент сопротивле-
ния. Он обладает также очень высокой термоэлектродвижущей
силой по отношению к меди, образуя прекрасную термопару.
Однако некоторые колебания ТЭДС не позволяют пользоваться
им для точных измерений температур, и употребление его для этих
целей в СССР запрещается ОСТами.
Константан показывает очень высокую стойкость против
окисления и коррозии. Он легко паяется.
Магнитные материалы. Магнитные материалы можно разде-
лить на две группы: 1) магнитные материалы для сердечников,
и арматур и 2) твердые сплавы для постоянных магнитов. Кроме
того, в процессе исследовательской работы могут требоваться
материалы с особыми специфическими свойствами, например
магнитные материалы с очень высоким омическим сопротивлением.
В технологии магнитных материалов достигнуты за последние
годы огромные успехи. Это наглядно показывает табл. А и рис. 13,
где приводятся данные, касающиеся наиболее типичных магнитных
сплавов, уже получивших широкое распространение в промыш-
ленности.
Некоторые дополнительные характерные особенности их отра-
жены на рис. 14.
Эти данные указывают, что для получения оптимальных
535
результатов при создании магнитных цепей следует особое вни-
мание обратить на подбор материалов для отдельных участков их.
Так, например, для наконечников магнитов следует брать пер-
миндюр, пля сердечников телефонных трансформаторов—листо-
вой пермаллой и т. д. Нужно только помнить, что все эти вещества
весьма чувствительны к температурной и механической обра-
537
сз
Сравнительные данные, характеризующие магнитные материалы
Плот- ность 1’/СМЯ 7,88 7,5 8.17 8,60 8,72 8,2 8,6 7,7 8.3 7,1 8,4 3,8
ибыя Ed -Л1ЕёэиЮ£ °C 770 690 440 О ООО J0 О 00 — О TJ-O) Ь- 091 009 780 350
Сопро- тивление удельное 2 О 2 S О О Ю СО Ю СО о £70—• СО —< юсч — S 3 с-1 00 Ю О СО CNCD
эн окон ээшогеп -ИЬИНЛЕИЕр! ч 0> с- О Ю СО о. °* °' ст и,ио 0,05 2,0 1,4 ю ОС О СМ 1С СМ 1С 1 о о «о о см со
Js ИЕИАЭНЛЕК VHHhOlElOO о о о о V о со >> о о о g со смоо о в о ООО ООО ЭОСФ О-'Т СО о оо о о о о о о о Ь- юо Ю СО о о с© О —1
Г истери- зисные потери при насы- щении эрг/см1 5 000 3 500 I 200 О ООО О ООО см см о о СО xf- е К О £х - . о- О- - 1| mtn i
Насы- щение £ О <“> ОС о о ос >, Ю О IO g — ОСО см см — 10 700 8 500 24 000 15 500 19 000 11 600
Макси- мум про- ницаемо- сти V-m 5 500 6 700 23 000 О ООО О О О О О Ю 00 Ш СМтГ —i о г- 1(0 1 30
ЧА 30IV -эвНиноён ВЕНЧЕЕЬЕЦ о О О Н со ОО « 04 ТГГ- О OOlC О ООО О Ооосс СП см см О г- * 12 1,7
Характер тем- пературы об- работки (темпе- ратура в °C) 900 закалка 800 закалка 1100 закалка 1000 4- проков- ка в воздухе 1000 закалка 800 закалка 1000 + 425 от- пуск 840 проковка 940 проковка Проковка + 600 отпуск Проковка -J- 700 отпуск 950 вакуум
Материалы и их состав, в 0.0 Мягкие магнитные материалы Магнитное железо (99,94 Fe) . . > 4-процентное кремнистое железо (96Fe, 4Si) 45, пермаллой (54,4Fe, 45Ni, 0,6Mn) 78,5, пермаллой (20,9Fe, 78,5 Ni, 0,6Mn) 4—79, Мо-пермаллой (16,4 Fe, 79 Ni, 4Mo, 0,6 Mn) 2, перминцюр (49 Fe, 49 Co, 2 Y) . . 45-25, перминвар (29,4 Fe, 25 Co, 45 Ni, 0,6 Mo) Магнитные стали Хромовая сталь, 3-процентный хром (96 Fe, 3 Ст, 1 С, 0,4 Мо) Хонда (52 Fe, 36 Со, 3,5 Ст, 7 W, 0,5 Мп) Мишима (58 Fe, 29 Ni, 13 Al) . . Ремалой (71 Fe, 12 Со, 17 Mo) . . . „Оксид* (2FeaO3 4- Fe3O4 4- Co,О,)
538
ботке и к геометрическим соотношениям формы тех деталей,
которые из них приготовляются. Их параметры могут при этом
сильно изменяться, и оптимальные данные можно получить только
тщательно согласовав технический процесс производства с особен-
ностями и назначением материала.
Припои. Составы для пайки (припои) должны легко расте-
каться по поверхности, предназначенной для спайки, и сплав-
Ллотность пояпока поляризации 6 гауссах
Рис. 14. Сила притяжения сердечников из различных материалов.
ляться с поверхностными слоями спаиваемых металлов. Кроме
того, они должны быть достаточно эластичными, крепкими
и Стойкими в отношении к коррозии. Лучше всего удовлетворяет
этим требованиям серебряный припой. Его употребляют для
спайки латуни, стали, нержавеющей стали и многих других
металлов. Серебряный припой представляет собой в сущности
сплав состава 4 частей меди с 3 частями цинка и с добавлением
некоторого количества серебра. Припой, содержащий 65% серебоа,
539
плавится при 693еС, в то время как состав с 20°. о серебра пла-
вится при 760е С.
Высококачественные легкоплавкие припои обычно состоят
наполовину из олова, наполовину из свинца. Эти припои часто
делают и с большим содержанием свинца, так как олово дороже
чем свинец. Однако такие припои хуже, тогда как избыток олова
делает припои более вязкими, улучшает смачивание. Припои
„половина наполовину" плавятся при 188 С. Свойства различных
припоев даны в табл. 2.
Таблица 2
Свойства различных припоев
1 i Припой Состав 1 Точка плавления (°C) 1 i Флюс J 1 4
Легкоплавкие припои
Металл Вуда Эвтектический оловянный Bi50,Cdl2,5Pb25, Snl2,5 61 A(a)
припой Pb 36, Sn 64 181 A(b, c)
„Половина наполовину" . Pb 50, Sn 50 188 A
Сплав для шоопирования Bi 50, Cd 25, Sn 25 105-110 A (a)
Ту гоплавки e припои
Серебряный припой . . . Ag 45, Cu 30, Zn 25 720 ВиС
Бронзовый припой .... Средний припой Cu 54, Sn 46 875 В
(для радиаторов) . . . Ag 20, Cu 3, Zn 2, Sn 75 400 A |
Состав флюсов:
А—(а) Плавень (флюс): 40ZnCL, 2ONH4C1, 40Н2О,
(b) Паста: 90 Petrolatum, 1ONH4C1,
(с) Раствор: канифоль в алкоголе,
(d) Стеарин или чистая канифоль.
В —(а) Тонкая паста, состоящая из воды, 10 частей порошка
буры и 1 части борной кислоты,
(Ь) Сухая бура,
С — „Handy flux". Это — прекрасный флюс, у него более низ-
кая точка плавления, чем у буры.
Латунь и бронза. Латунь является самым распространенным
материалом для изготовления различных приборов в физической
лаборатории. Она представляет собой сплав меди и цинка в раз-
ных пропорциях. „Красная латунь" содержит всего от 10 до
20°'о цинка; больше цинка содержит сплав „томпак", употребля-
ющийся обычно для изготовления гибких рубчатых трубок, так
называемых трубок „сильфон", для которых нужна максимальная
эластичность материала; „желтая", или обычная, латунь содержит
540
медь и цинк в отношении 65 и 35 с небольшой добавкой свин-
ца, для облегчения ее холодной механической обработки, и
употребляется в тех случаях, когда нужна значительная упру-
гость.
Различные сорта латуни дешевле, чем сплавы меди с оловом,
или так называемой бронзы. Они, кроме того, более мягки
и гибки. Латуни употребляются для деталей, обрабатываемых
на станках или прокаткой, в то время как бронзы служат преи-
мущественно материалом для отливки. Отливки из бронзы лучше
держат вакуум, чем отливки из латуни. Кроме того, так как
в бронзах имеются маленькие кристаллики твердого хрупкого
соединения Cu4Sn, то они при полировке дают прекрасную
блестящую поверхность. Бронза, содержащая 68,2 меди, близкая
по составу к обычным так называемым зеркальным металлам,
употребляется часто для изготовления дифракционных решеток
и зеркал. Замечательное 60-дюймовое зеркало лорда Ross’a
содержало 70 Си и 30 Sn; одно из древних римских зеркал
содержало 64 Си, 19 Sn, 17 Pb; другое древнее египетское
зеркало содержало 85 Си, 14 Sn, 1 Fe (Л. ХШ, 2).
Замечательна по своим свойствам так называемая бериллиевая
бронза, получаемая путем небольшой присадки бериллия к меди.
Она во многих случаях заменяет сталь.
Дюралюминий. Сплав алюминия состава 95 А1, 4 Си, ’Д Mg,
% Мп называется дюралюминием. Дюралюминий широко приме-
няется во многих случаях, где прежде применялась латунь. В те-
чение 45 минут после нагревания до 530°С и последующего
быстрого охлаждения водой дюралюминий становится гибким,
его можно скручивать, сгибать и подвергать любой холодной
обработке. После этого промежутка времени соединение меди
с алюминием выпадает из твердого раствора, и выпадение за-
крепляет кристаллы сплава по их поверхностям скольжения, что
придает сплаву повышенную твердость и прочность. Обычно
после погружения в воду напряжение на разрыв бывает вначале
2094 кг.’см2, а после холодной обработки и старения становится
5235 кг/см2. Иногда пользуются заклепками из дюралюминия,
сохраняемыми в термосах с „сухим льдом" (твердая углекислота).
Они всегда готовы к употреблению, так как низкая температура
сухого льда останавливает процесс старения, и металл не
твердеет до того момента, как он нагреется до комнатной тем-
пературы.
Дерево (Л. XIII, 7, И, 13, 14). Из дерева получают два сорта
древесины: сердцевину и заболонь. Сердцевина в процессе жизни
дерева образуется раньше и, как показывает самое название,
находится в середине ствола. Протоплазма, образующаяся в мо-
лодом дереве, постепенно замещается отложениями смолы ми-
нералов, таннина и пигментов, которые и образуют эту сердце-
вину по мере того, как дерево стареет. Эти вещества делают
«е тяжелее, крепче и в большинстве случаев по цвету темнее,
511
чем заболонь. Исключением является сердцевина красного дерева,
которая обычно не содержит ни смол, ни масел. В сердцевинах
других сортов деревьев всегда имеются обильные отложения.
Так, например, в lignum vitae составные части создают масля-
нистость (особенно, когда дерево сырое), что делает его осо-
бенно пригодным для полировки).
Заболонь, или внешняя часть ствола, дерева обычно бывает
более мягкой, чем сердцевина. Поэтому только у орешника и у
ясеня, у которых они одинаковы по своей прочности, внешнюю
часть ствола, как наиболее удобную для обработки, можно пред-
почесть сердцевине.
Влияние высокой температуры на свойства дерева. Влияние
высокой температуры сказывается в дереве обычно вследствие
наличия выделения и отложения смол. При высоких темпера-
турах смолы размягчаются, дерево становится слабым и легче
расщепляется. С другой стороны — особенно низкие температуры
вызывают увеличение хрупкости.
В табл. 3 указаны коэфициенты термического расширения
различных сортов дерева в направлении параллельном и перпен-
дикулярном к волокну. Следует отметить, что термический коэ-
фициент расширения параллельно волокну у дерева значительно
меньше, чем у большинства металлов. Это очень полезное свой-
ство, его следует иметь в виду и пользоваться им при приго-
товлении приборов, в которых желательно сохранить неизмен-
ность длины, как, например, в трубах телескопов, в которых относи-
тельное расстояние между оптическими деталями не должно из-
меняться с изменением температуры.
Таблица 3
Линейное расширение дерева и различных других
твердых материалов на единицу длины и на градус
Цельсия X 10—°
Материалы
Расширение
Алюминий ...............
Литая латунь............
Литое железо............
Сталь ..................
Зеркальное стекло и крон-
гласе ..................
Клен...................
Дуб....................
Сосна................•
Грецкий орех ..........
Сахарный клен..........
23,0
18,7
12,0
11,4
I
9,0
Параллель- Перлендику-1
ни слоям лярно слоям
6,3 48
4,9 55
5,4 34
6,5 48
2,1 -
542
Таблица 4
Теплопроводность дерева и некоторых других
материалов в единицах CGS
Материалы Удельный вес Теплопро- водность
Пробка 0,12 0,00012
Твердый клен 0,61 0,00038 0,00027
Белая сосна вдоль волокон 0,50
„ „ поперек волокон 0,50 0,00010
Хлопок твердо упакован- ный . . • —— 0,00010
Волос (войлок) 0,000085
Теплопроводность некоторых обычных сортов дерева приве-
дена в табл. 4. Вдоль волокон теплопроводность больше от двух
до четырех раз, чем поперек их. Для получения максимума те-
пловой изоляции дерево должно быть сухое. Чтобы сохранить
его сухим, особенно если дерево должно находиться при низких
температурах, его покрывают слоем парафина.
Влияние влажности. Одно из затруднений, возникающих при
применении дерева как материала для изготовления физических
приборов, состоит в том, что его размеры значительно меняются
с изменением содержания в нем влаги. Мы можем принять
уменьшение размеров от зеленого состояния свеже срубленной
древесины до сухого состояния как меру тех изменений, кото-
рые можно ожидать с изменением влажности и остаточного усы-
хания готовых изделий. Это сокращение размеров (радиальное
и тангенциальное) для некоторых сортов дерева приведено
в табл. 5.
Среди твердых сортов деревьев особенно ценится вечнозеленая
магнолия, так как она почти не коробится. Из табл. 5 видно,
что из всех деревьев она является таким, у которого радиальное
и тангенциальное сокращение ближе всего подходят друг к другу.
Наибольшее сокращение при высыхании происходит в дереве
под прямым углом к волокну, продольное сокращение при вы-
сыхании от зеленого до сухого состояния редко превышает
х/ю—78%. Оно бывает больше этого значения для некоторых
деревьев, выросших в густой чаще. Желтая сосна, вырастающая
обычно в очень густых лесах, при высыхании может сократиться
продольно даже на 21У2%. Красное дерево обнаруживает также
значительное продольное сокращение. Однако для большинства
других деревьев продольное сокращение ничтожно. Это свойство
Дерева, если к нему прибавить еще малое тепловое расширение
вдоль волокон, делает понятным, почему дерево с таким успе-
хом применяют для изготовления шкал и линеек.
543
Т а б л и ц а 5
Сжатие дерева от зеленого до сухого состояния
Дерево Тангенци- альное (%) Радиальное (°, о) 1 Отношение
Магнолия вечнозеленая 6,6 5,4 1,2
Красное дерево 4,4 2,6 1,7 ।
Сахарный клен 9,5 4,9 1,9 I
Сахарная сосна 5,6 2,9 1,9 !
Сосна северная белая Пределы усыхания для ь 2,3 2,5 | 1
обычного поделочного дерева от 4,2 до 14 or 2 до 8,5
Когда из дерева выпилен или вырезан кусочек точных раз-
меров, которые надо сохранить, его покрывают несколькими
слоями шеллака для того, чтобы сохранить установившееся рав-
новесие влажности. Льняное масло для этой цели менее пригодно,
а парафин даже заслуживает предпочтения перед шеллаком. Рас-
плавленный парафин при этом наливают ложкой на поверхность.
Длительное кипячение дерева в парафине делает дерево более
жестким и хрупким. Дерево, вываренное в расплавленной сере
(не выше 130С), приобретает большую прочность и может слу-
жить для вытачивания тонких и мелких деталей.
Прочность дерева. Прочность и жесткость различных сортов
дерева колеблется не в таких больших пределах, как это при-
нято думать. Так, например, прочность на изгиб орешника только
в 2,6 раза больше прочности на изгиб сахарной сосны, а крепость
сосны только в 1,9 раза меньше крепости орешника. Сосна отли-
чается от орешника не столько крепостью, сколько ломкостью, —
сосна ломается, тогда как орешник гнется. Из всех обычных
деревьев лиственница имеет наибольшую прочность, отнесенную
к весу. Прочность на разрыв дерева сильно меняется в различных
направлениях. Вдоль волокон сопротивление на разрыв оказывается
от 10 до 20 раз больше, чем поперек волокна. Соответственно
и модуль упругости вдоль волокна значительно больше. Эта
анизотропия устраняется в многослойной фанере, которая изготов-
ляется склеиванием трех, пяти, семи или девяти слоев дерева,
уложенных так, что направления волокон, следующих друг за дру-
гом, располагаются взаимно перпендикулярно. Фанера с наиболь-
шим числом слоев обладает наибольшим сопротивлением раска-
лыванию и наиболее изотропна. Для толстой фанеры употребляют
сердцевину засохшего каштана.
Легкость, с которой дерево режется и пилится, пропорцио-
нальна его однородности или степени сходства между физиче-
скими условиями, в которых происходит рост дерева весной
и летом. Поэтому желательно, чтобы дерево обладало, по воз-
можности, тонкими волокнами, качество, свойственное многим
£44
Таблица 6
Свойства дерева
Свойства Сахарная сосна Амери- канский финик Сахар- ный клен Вечнозеле- ная магнолия Орешник
Удельный вес Статическое испытание: напряжение волокон у предела упругости 0,37 0,81 0.62 0.51 0,74
(в 1000 фунтов на дм-') То же: разрывающее усилие (в 1000 фунт. 6,4 15.4 10,4 7,8 11,9
на дм-’) То же: модуль упругости 8,6 23,7 15,8 12,5 22.6
(в 1000 000 фунт, на дм-) То же: изгибающее уси- лие до максимальной 1.21 2,48 1,82 1,48 2,29
нагрузки (фунт, на дм") Испытание ударом: энергия падающего молота, вызывающая полное разрушение (в относительных сди- 5,0 16.9 13,6 12,3 26,3
ницах) Напряжение сжатия во- локна на пределе упру- гости параллельно во- локнам (в 1000 фунт. 26 5! 51 38 100
на дм:) Максимум сопротивления раздавливающему усилию (1000 фунт, на 4,74 9,21 6,06 3,94
дм-’) Напряжение сжатия во- локон до предела (пер- пендикулярно волокну. 5,2 14,1 8,6 6,6 10,7
в 1000 фунт, на дм-'). . Растягивающее усилие при отрыве перпенди- кулярно волокну (в 1000 0,64 3,91 1,62 1,25 2,47
Фунт, на дм-’) Срезывающее усилие па- раллельно волокну 0,35 1,52 0.77 0,78 —.
(в 1000 фунт, на дм") . Твердость по краю (в относительных едини- 1,1 2,7 2,5 1.7 2,3
цах) 100 45 35 —
твердым сортам дерева и особенно красному дереву. Из обычных
мягких сортов наиболее однородны и наиболее легки в обработке
тополь, сахарная сосна и липа.
Заменители дерева. В последнее время получают распростра-
нение некоторые заменители дерева, которые можно считать
35 Стронг
5-15
почти изотропными. Их приготовляют из связанных какими-либо
клеющими веществами и спрессованных волокон целлюлозы. Хотя
они почти однородны, однако не так легко поддаются обработке
режущим инструментом (рубанком, стамеской), как дерево, и рас-
калываются при забивании в них гвоздей. Их можно пилить
обычной пилой для дерева. Типичным образцом такого заменителя
дерева является мазонит. Он продается обычно в трех видах:
легкий материал, который является хорошей тепловой изоляцией,
твердый материал, годный для изготовления ящиков для инстру-
ментов, и маслянистый водонепроницаемый материал.
Замазки и склеивающие материалы
Универсальная замазка. Физики употребляют замазки и клей
для укрепления окошек в аппаратах, склеивания трубок с пла-
стинками, трубок с трубками и т. д. Они применяют их также
для крепления линз, призм и зеркал. Из всех наиболее употреби-
тельных замазок чаще всего для таких импровизированных креп-
лений и заделок пользуются так называемой универсальной
замазкой. Эту замазку приготовляют из одной части венециан-
ского скипидара и пяти частей натурального пчелиного воска.
Обычно, хотя в этом нет необходимости, она окрашивается
киноварью. Замазку следует приготовлять в небольших коли-
чествах, так как она медленно окисляется и теряет требуемые
от нее свойства. Можно пользоваться и старыми кусочками ее,
если срезать и выбросить наружные окислившиеся слои. Преиму-
щества этой замазки заключаются в ее клейкости и пласти-
ческих свойствах; она становится очень пластичной даже при
небольшом повышении температуры, если, например, помять
ее в пальцах. Когда она остынет, то становится совсем жест-
кой.
Пчелиный воск с канифолью. Состав из пчелиного воска
и канифоли приготовляют расплавлением вместе равных коли-
честв пчелиного воска и канифоли. Размягчение состава проис-
ходит при температуре 47е С; состав становится жидким при
температуре 87СС. Его исключительным свойством является спо-
собность приставать даже к холодному металлу. Он не очень
крепок, но его крепость вполне достаточна, чтобы им можно
было соединять части вакуумных систем и скреплять детали
приборов, например фиксировать призму на призменном столике
спектрометра. Воск с канифолью в перегретом состоянии можно
намазывать кисточкой или капать из пипетки, или намазывать
нагретым лезвием ножа. Чтобы обеспечивать хорошее смачивание
холодного металла, воск следует наносить нагретым почти до
кипения (появление дыма) с помощью пипетки или горячим
ножом. Если замазка эта употреблялась для уплотнения краев
стеклянного колпака, то после ее можно снять ножом, распла-
546
вить вновь и употреблять еще несколько раз. При температуре
появления дыма составные части пчелиного воска возгоняются,
вследствие чего состав становится тверже. Его можно сделать
снова мягче, прибавив воск. В ряде случаев эта замазка оказы-
вается непригодной вследствие того, что она сильно сжимается
при затвердевании (усадка). Она хорошо ярастворяется“ в смеси,
состоящей из равных частей четыреххлористого углерода и
этилового спирта.
Шеллак. Чистый шеллак в виде палочек известен под назва-
нием „ювелирный цемент". Он обладает большим сопротивлением
растяжению и сдвигу (оба модуля примерно равные 245 кг/см2).
Только натуральный прозрачный шеллак оранжевого цвета имеет
такое высокое сопротивление. Шеллак является основным ингре-
диентом для повышения клейкости различных замазок и
в частности канцелярского сургуча. Шеллак употребляется
в промышленности главным образом для производства валиков
фонографов, граммофонных пластинок и различных лаков, а более
всего в качестве изоляционного материала в электрической
промышленности. Он обладает большей прочностью, чем любое
другое клейкое вещество, и благодаря этому валики для фоно-
графов из него оказываются наиболее долговечными.
Лучшим растворителем для шеллака является алкоголь. Этот
раствор представляет собой лак, который широко применяют
в лаборатории. В достаточно густом состоянии им можно поль-
зоваться для заделки течей в вакуумных системах.
При нагревании шеллак полимеризуется. Полученный продукт
тверже, имеет более высокую температуру размягчения и хуже
растворяется в алкоголе, чем исходный материал. Полимеризация
сопровождается выделением воды за счет химического состава
молекул и двух- или трехкратным увеличением молекулярного
веса. При нагревании в течение 30 часов при 90° С половина
неуплотнившегося еще шеллака переходит в эту более твердую
разновидность, а при 150° С он весь превращается в эту разно-
видность в течение 3 часов. Когда в качестве замазки употреб-
ляют чистый шеллак, его желательно иметь в неполимеризо-
ванном состоянии.
Продажный шеллак, хотя и называется иногда чистым, однако
обычно содержит до 3% канифоли. Последняя делает его более
мягким. Тем не менее возможно получить шеллак совершенно
свободный от примесей.
Сплавы с шеллаком. Когда шеллак смешивают с 20—40%
древесного дегтя, получается замазка, очень напоминающая всем
известную замазку Котинского. На нее не действуют ни вода,
ни сероуглерод, ни бензин, ни керосин, ни бензол или скипидар.
Слабо действуют на нее только эфир, хлороформ и кислоты —
верная, азотная и соляная.
Когда замазка Котинского сильно нагревается на пламени,
она дает резкий запах и иногда воспламеняется.
35» 547
Шеллак можно смешивать с бутилфталатом. Получаемая смесь
имеет очень низкое давление паров и особенно рекомендуется
при работе с высоким вакуумом: она без запаха и сравнительно
не очень легко воспламеняется.
Шеллак можно смешивать также в различных пропорциях
с гвоздичным и касторовым маслом. Около 10% масла быстро
добавляется в расплавленный шеллак. Масло дает смесь, облада-
ющую приятным запахом. Она во многих случаях бывает полезна,
когда нет надобности в получении исключительно малого давле-
ния паров (см. стр. 109).
Шеллак можно смешивать и с амилацетатом, когда при упо-
треблении смеси не имеет значения очень высокое давление ее
паров.
Большая часть этого растворителя испаряется, когда приклеи-
ваемая деталь выдерживается при повышенной температуре
(80° С) приблизительно в течение часа. Смесь 32 г амилацетата
в 100 г шеллака дает замазку, обладающую высокой прочностью
на разрыв (выше 174,5 кг/см2).
Пицеин. Этот клеющий состав отличается низким давлением
паров, пластичностью при комнатной температуре и химической
инертностью. Его низкая рабочая температура (он становится
совершенно пластичным при 50° С и жидким при 80° С) вместе
с хорошей склеивающей способностью позволяет рекомендовать
его для разнообразных лабораторных работ. Кроме склеивания
друг с другом металлических и стеклянных трубок и заделки
течей в вакуумных приборах, его применяют также и в оптотехнике
при приготовлении некоторых приборов. Алкоголь на него почти
не действует. Пицеин можно даже на короткое время погру-
жать в холодный хромовый раствор, употребляющийся для
очистки поверхности оптических деталей. Растворяется он только
в бензоле и скипидаре. У хороших образцов его изоляционные
свойства почти столь же хороши, как и у янтаря (амброид), если
только он не подвергался перегреванию. В продаже он встре-
чается двух сортов: первый сорт отличается указанной выше
температурой плавления — около 80°, а второй, более жесткий,
имеет температуру плавления 105°.
Апьезоновые масла. Смесь минеральных масел, известная
под названием апьезон, представляет собой рафинированные остат-
ки после перегонки парафиновых масел, полностью очищенные
от примеси составных частей, обладающих высоким давлением
паров.
Апьезоновая склеивающая замазка ,,Q“ содержит графит. Она
пластична при комнатной температуре и имеет давление паров
10“4 мм; если ее намазать на мягкую обычную бечевку, то ее можно
применять для цоколевки и монтировки электронных ламп.
Апьезоновая замазка „W“ обладает наименьшим давлением паров
из всех замазок, употребляемых в настоящее время. Чтобы довести
548
у нее давление паров до 10~3мм ртутного столба, необходимо ее
нагреть до 180° С. При 70° С она плавится, но для уплотнения
щелей ею можно пользоваться при 100° С и выше. В расплавленном
состоянии эта замазка может смачивать металлы и стекло и яв-
ляется совершенно жидкотекучей, в то время как при обычной тем-
пературе она оказывается довольно твердой. Растворяется она в
ксилоле.
Хлористое серебро. Хлористое серебро рекомендуется для спаев
и склейки, которые должны выдерживать повышенные темпера-
туры. Оно плавится при 455° С. Оно не растворимо ни в воде,
ни в алкоголе, ни в бензине, ни в кислотах. Однако в растворе
серновагистокислого натрия и цианистого калия оно хорошо
растворяется. Большинство металлов и стекол смачивается хло-
ристым серебром, поэтому его употребляют для приклеивания
оптических полированных окошек в разрядных трубках. Чтобы
окошко не лопнуло, его надо после наклеивания охлаждать очень
медленно и осторожно.
Эмаль. Эспе и Кнолль описывают эмаль, которую они рекомен-
дуют для цементирования круглых плоских параллельных пластинок
в разрядных трубках (Л. ХШ, 4). Это — смесь глинозема и борной ки-
слоты; точка плавления ее лежит между 450 и 600С. Так же, как хлор-
ное серебро, она пригодна в случаях, когда необходимо нагревать
окошко вместе со всей разрядной трубкой в электрической печи.
Полимеризующиеся замазки. Все связывающие и склеиваю-
щие материалы, которые мы рассмотрели выше, термопластичны.
За исключением шеллака изменения их свойств обратимы с темпе-
ратурой. Теперь мы рассмотрим такие вещества, которые при
нагревании затвердевают, могут вулканизироваться и полимеризо-
ваться. К их числу относятся некоторые синтетические смолы,
каучуковые замазки и замазки из неорганических веществ.
Рассматриваемые нами синтетические смолы можно разделить
на три большие группы. К первой относятся полимеризованные
фенолальдегиды, примером которых является бакелит; ко второй—
продукты уплотнения при соединении многоатомных спиртов
с многоосновными кислотами (они называются алкидными смола-
ми, примером которых является глипталь); в третью группу сле-
дует поместить полимеризованные производные метакриловой
кислоты, в роде „люцита" и „органического стекла".1
Бакелит. Бакелит применяется в различных видах, которые все
могут потребоваться физикам. Его свойства изменяются при воз-
действии теплоты от свойств жидкости или хорошо растворимого
твердого тела в неполимеризованном состоянии до совершенно
прочных нерастворимых твердых веществ, в состояниях более или
менее близких к предельной полимеризации. В последнем состоянии
1 Инж. Чулков в ГОИ установил, что для склейки оптических деталей разного
монпВСеГ° пР,,г°Днее поливинилацетат, получающийся нагреванием синтетического
или дивинилацетата. Он особенно пригоден для склеивания поляризацион-
ных призм и фильтров. Прим. ped.
549
бакелит продается'в виде светлых или темнокрасных прозрачных
пластинок, блоков, трубок и т. д. Это—легкий (плотность 1,27)
и крепкий (488кг/см2) материал, хороший электрический изолятор,
нечувствительный к переменам температуры. В совершенно поли-
меризованном виде он не плавится и только обугливается при
температуре выше 285°С. В химическом отношении он сравни-
тельно инертен. На полностью полимеризованный бакелит не дей-
ствуют ни горячая вода, ни масла, ни жиры, ни растворители
(алкоголь, ацетон, бензин), ни разбавленные кислоты, включая и
плавиковую кислоту, ни даже мыла. Он почти не гигроскопичен.
Эти свойства бакелита позволяют рекомендовать его как мате-
риал для изготовления прозрачной химической посуды — бюреток,
пипеток, чашек и т. д. Прозрачные сорта бакелита особенно
удобны для изготовления моделей для исследования упругих
свойств деталей машин помощью поляризованного света.
В продаже имеются некоторые материалы, заполненные в каче-
стве связующего вещества бакелитом. В качестве основы для них
служат ткани, бумага, древесное волокно, асбест или графит.
Материалы, изготовленные таким образом из асбеста, служат
чаще всего для тепловой изоляции, а материалы на базе графита
употребляются для сухих подшипников.
Бакелитовые лаки обычно состоят из растворов еще не поли-
меризованных видов бакелита. «Паковую пленку после ее покры-
тия и сушки путем нагревания до определенной температуры
переводят в нерастворимую форму.
Бакелитовую замазку изготовляют как в виде твердых веществ,
так и в виде вязких жидкостей. В твердом виде она плавится
около 80° С (в горячей воде), а при нагревании до более высо-
кой температуры переходит в форму, которая уже не плавится.
Жидкие сорта обычно содержат летучий растворитель. В первую
очередь его необходимо испарить предварительным нагреванием
в течение от 1 до 4 часов при 80° С, после этого растворенное
вещество можно полимеризовать нагреванием в течение двух
часов при 120° С и выше. Полутвердую замазку применяют
в тех случаях, когда нужно, чтобы она отвердела при комнатной
температуре. Вакуумные соединения, сделанные этими замазками,
имеют малое давление паров; их можно применять даже при темпе-
ратурах на много выше 100° С.
Очень хорошую замазку можно приготовить, смешав бакели-
товый лак с суриком. Она быстро затвердевает и хорошо противо-
стоит воздействию больших давлений пара, масел и даже значи-
тельного нагревания.
Алкидные смолы. Алкидные смолы получаются воздействием
фталевого ангидрида на гликоль, глицерин и другие полигидрид-
ные алкоголи. Гликольфталат может быть особенно рекомендован
как вакуумная замазка благодаря низкому давлению паров, теку-
чести и смачивающей способности в расплавленном состоянии.
Он совершенно прозрачен и при соединении стеклянных частей
550
вакуумных установок позволяет видеть, насколько плотно сде-
лано соединение, и легко обнаруживать в нем трещины и щели.
Кроме того, его можно подвергнуть полимеризации, увеличивая
тем самым его прочность и химическую стойкость. Он отличается
своей способностью приклеиваться к алюминию.1 Он очень стоек
в отношении минеральных масел. Катализаторы, не содержащие
влаги, вроде окиси цинка, ускоряют полимеризацию этих смол
и служат наполнителями ради экономии самой смолы, например
при цоколевке электрических лампочек.
Люцит и органическое стекло. Люцит и Plexiglas (органи-
ческое стекло) являются фабричными названиями для метил- (или
этил-) метакрилатов, полимеризованных производных метакрило-
вой кислоты. Эти материалы выпускают в виде литой смолы,
в форме пластин, палочек и трубок, в виде термопластического
порошка, а также в виде неполимеризованной жидкости.
Мономер метил-метакрилат представляет собой подвижную
жидкость, которая может полимеризоваться почти в любом виде.
Мономер кипит при 100° С; теплота полимеризации около 80 кал г.
Получаемый с завода, он содержит упрочнитель — гидрохинон
или пирогаллол, чтобы предупредить его полимеризацию при
комнатной температуре. Перед употреблением жидкости упрочни-
тель надо удалять промыванием едкой щелочью, после чего
следует жидкость высушивать и прибавлять ускоритель, обычно
перекись бензоила в качестве катализатора полимеризации. Объем
мономера на 20% больше получаемого в конечном счете объема
полимера, так что приходится тщательно позаботиться о том,
чтобы при уплотнении его в полимер не образовывались пустоты.
Полимеризованный метил-метакрилат (люцит) обладает опти-
ческими свойствами, приведенными в табл. 7 (см. также табл. 6,
глава IX). Полимер не поддается воздействию воды, нерастворим
в жирном ряду углеводородов, в алкоголях, в эфирах и боль-
Таблица 7
Пропускание люцитом ультрафиолетового света различных
длин волн, в процентах
Длина волн (А) Пропускание %
толщина пленки 2,54 см толщина пленки 0,254 см
3020 • . • • 1
3120 2860 5
3140 2920 12
3170 2980 25
3280 3020 50
3500 3340 75
1 Для изготовления гликольфталата надо смешать 296 г химически чистого
фталевого ангидрида с 124 г безводного этиленгликоля и в течение 8 час. вы-
держать (после осторожного медленного нагревания) при температуре 220° С.
551
щинстве жиров, масел и жидких смол, он растворим, однако,
в растворителях из простейших кетонов и эфиров и в смесях
ароматических углеводородов, когда к ним прибавлено небольшое
количество алкоголя.
Эти полимеры резко отличаются от бакелита и другой распро-
страненной пластмассы „кателина** при обработке их резанием.
В то время как кателин и бакелит быстро притупляют лезвие
резцов из самозакаливающейся стали (так что сталь, полученная
холодным прокатом, почти так же хороша для резки, как и само-
закаливающаяся сталь), люцит и органическое стекло можно
резать часами, и лезвие резца не притупляется.
Рыбий клей („синдетикон**). Клей, стойкий в отношении боль-
шинства органических растворителей, приготовляют в виде гус-
того раствора 93,3 части рыбьего клея и 7,7 части двухромовоки-
слого калия в небольшом количестве едкого аммония. Приготовлен-
ный таким образом клей можно высушить и затем, нагревая в воз-
душной печи, добиться того, что он станет шоколадно-коричневого
цвета. Этот клей часто применяют в рефрактометрах Пульфриха.
Резиновый клей. Каучуковый клей по сортам удобнее клас-
сифицировать следующим образом: невулканизирующиеся сорта
клея, которые отвердевают только за счет простого испарения
растворителя, вулканизирующийся клей, в котором после испа-
рения растворителя наступают химические изменения, и термо-
пластические резиновые замазки. Некоторые из вулканизирую-
щихся резиновых клеев и паст содержат серу, в то время как
другие вулканизируются просто путем смазывания вулканизи-
рующей жидкостью, чаще всего хлористой серой, после того
как склейка уже сделана.
Синтетические термопластические каучукоподобные продукты
(неопрен, стироль и корозил) обладают многими специфическими
полезными свойствами. Эти материалы замечательно стойки хи-
мически, инертны по отношению к кислотам и щелочам, так же
к жирам и маслам.
Гипс. Гипс часто употребляется для упрочнения больших
стеклянных колб, содержащих ртуть. Гипс размешивают в воде
до консистенции пасты и набивают между колбой и свободно
надевающимся на нее деревянным футляром. Добавка соли со-
кращает время, необходимое для отвердевания гипса, в то время
как небольшие примеси столярного клея действуют в обратном
направлении. Стекло предварительно рекомендуется протереть
маслом, чтобы гипс не приставал к нему. Это облегчает впо-
следствии разборку.
Паста из глета и глицерина. Эта комбинация дает цемент,
который успешно применяют в тех же случаях, что и гипс. Он
стоек к воздействию воды, большинства кислот, всех щелочей
и выдерживает температуру до 260° С. Его приготовляют смеше-
нием до консистенции пасты глета в порошке (нагретого предва-
рительно до 400° С) с чистым глицерином.
552
Другие необратимые замазки и цементы. Жидкое стекло
образует ряд цементов, если его смешать с карбонатами или оки-
сями кальция, магния, цинка, свинца или железа. Через не-
сколько часов эти цементы затвердевают до прочности камня.
В комбинации с тальком жидкое стекло дает цемент, который
выдерживает температуру красного каления. Этот цемент не от-
скакивает от стекла даже при температуре жидкого воздуха.
Цемент из хлорокиси цинка употребляют преимущественно
в зубной технике. Его приготовляют из 60-процентного раствора
хлорного цинка и порошка окиси цинка, смешанных до конси-
стенции густой пасты. Эти составные части в результате хими-
ческого взаимодействия дают прочную хлорокись цинка. Чтобы
быть уверенным, что окись цинка свободна от примеси карбо-
ната, ее следует прежде всего прогреть, пока она не станет
желтой, чтобы разрушить карбонаты.
Девять частей порошка каолина, смешанные с одной частью
буры, дают цемент, который выдерживает температуру 1600е С.
Входящие в состав цемента порошки смешивают, к ним прибав-
ляют воду, чтобы облегчить взаимное приставание их частичек.
После того как вода испарится, цемент медленно нагревают до
желтого каления, чтобы заставить его затвердеть (обжигают).
Цемент „инеа-лют“, применяемый в технике, представляет
собой густую белую суспензию тугоплавкого вещества в жидком
стекле. При засыхании он образует белое вещество, имеющее
текстуру фарфора. Он является хорошим электрическим изоля-
тором и выдерживает нагревание до 600°С. Он хорошо пристает
к металлу, стеклу и фарфору. При повышенных температурах
он разъедает проволоку из сплавов с хромом, и его нельзя греть
в контакте с ней. В контакте с проволокой из хромовых
сплавов можно употреблять такие тугоплавкие цементы, как
„алунд“ и т. д.
Столярный клей. Бесспорно лучшим связывающим материалом
для дерева является столярный клей. Склейки оказываются более
прочными на легком дереве, которое содержит мало масел и смол,
чем на дереве более плотном и более смолистом. Кроме обыч-
ного столярного клея применяют еще три рода клеющих веществ:
казеин, кровяной альбумин и желатина. Первые два употребляют
для изготовления разных вещей из дерева и бумаги. Клей и же-
латина обладают большей прочностью, но они становятся мяг-
кими от сырости. Казеиновый клей делают из белка, содержа-
щегося в молоке, и извести. Кровяной клей обычно содержит
едкий натр и жидкое стекло. Оба последние сорта клея при их
применении требуют нагревания. Они водоупорны и идут на
изготовление фанеры.
Желатиной лучше пользоваться в горячем виде. Столяры,
делающие мебель и литейные модели, всегда имеют под рукой
горшок с горячим клеем. В некоторых случаях, однако, для склеи-
вания дерева столь же пригодны и сорта клея, высыхающие
553
иа воздухе. Эти сорта клея намазывают заранее на склеиваемые
.поверхности; потом гленкам клея на них дают подсохнуть до
тех пор, пока весь клей не затянется. В этом состоянии обе по-
верхности складывают вместе, сжимают и дают клею совершенно
затвердеть.
Смазка
Существуют два способа мокрой смазки. При осуществлении
первого, обычного, способа, называемого иногда полной смазкой,
соприкасающиеся поверхности разделены масляной пленкой тол-
щиной около 0,013 мм. Сила трения, а соответственно и коли-
чество тепла, выделяющееся в смазке, зависят от толщины пленки
л вязкости жидкости.
При втором способе смазки поверхности соприкасаются
друг с другом. Сила трения и истирание (снашивание) обусло-
вливаются образованием особой поверхностной пленки на тру-
щихся поверхностях. Прочность, с какой эта жидкая пленка при-
липает к твердой поверхности, и эффективность уменьшения тре-
ния при этом характеризуются тем свойством смазки, которое
называется „маслянистостью" жидкости. Такая смазка плотно
соприкасающихся поверхностей называется пограничной смазкой.
Вообще для первого типа смазки более пригодны различные
сорта минеральных масел, тогда как для пограничной смазки
рекомендуются растительные и животные жиры, а также разные
виды мыла. В случае пограничной смазки трение обычно меньше
в тех случаях, когда поверхности покрыты поверхностной плен-
кой с высоким молекулярным весом. Большая вязкость, которая
связана с высоким молекулярным весом, дает в случае полной
смазки большее трение.
В. В. Гарди и Ида Даубльдей (Л. XIII, 9) изучали коэфициент
трения при скольжении для различных материалов. Результаты
их изучения представлены на рис. 15.
На этом чертеже представлены коэфициенты трения сколь-
жения для стекла, притертого к стеклу, стали — к стали и вис-
мута— к висмуту. Коэфициент трения отложен на оси ординат,
а по оси абсцисс отложен молекулярный вес смазки. В качестве
жидкой смазки были взяты парафины, алкоголи и кислоты пара-
-финового ряда.
Мы видим, что для больших молекулярных весов, в частности
для жирных кислот, коэфициент трения снижается до нуля. Дейст-
вительно, для некоторых смесей Гарди нашел статическое трение
меньшее, чем то минимальное трение, которое он мог измерить.
По поводу этого результата Гарди и Даубльдей говорят:
„Можно убедиться, что для каждого химического ряда и для
каждого твердого тела кривая является прямой линией. Уравне-
ние ее, следовательно, будет:
[j. = b — аМ,
554
где
Af—молекулярный вес,
а и b — параметры.
Влияние природы твердой поверхности выражается неожиданно
просто. С переходом от стекла к стали кривая данного ряда сма-
зок только перемещается параллельно самой себе, а с перехо-
дом от стали к висмуту происходит дальнейшее перемещение ее.
Следовательно, в уравнении параметр а не зависит от природы
Рис. 15. Коэфициент статического трения твердых веществ
в зависимости от молекулярного веса смазки.
1— стекло по стеклу, смазка — парафины; 2— стекло по стеклу, смазка — спир-
ты; 3 — сталь по стали, смазка—парафины; 4 — сталь по стали, смазка —
спиртом; 5 — стекло по стеклу, смазка — жирные кислоты;6—сталь по стали,
смазка — жирные кислоты парафиновых рядов; 7 — висмут по висмуту, смаз-
ка — спиртом; 8— висмут по висмуту, Смазка — парафин.
твердой поверхности, а зависит только от химического типа
смазки, меняясь от одного члена химического ряда до другого.
С другой стороны, параметр b зависит как от природы твердой
поверхности, так и от химических свойств смазки".
На основании этого уравнения можно было бы ожидать, что
коэфициент трения для двух разнородных поверхностей будет
средним из коэфициентов для каждой поверхности отдельно.
Табл. 8, взятая из работы Гарди и Даубльдей, показывает, как
хорошо это предположение оправдывается в действительности.
Добавление небольшого количества жирной кислоты к мине-
ральному маслу существенно улучшает смазывание, особенно
когда поверхности приходят в непосредственное соприкосновение,
и характер смазки изменяется из полной смазки в пограничную.
555
Большая продуктивность пограничной смазки получается в этом
случае за счет адсорбции пленки жирной кислоты, имеющей
большой молекулярный вес, на соприкасающихся поверхностях.
Коэфициент трения
Таблица 8
Ползуны Диски ! Смазки
Бутилалкоголь Амилалкоголь Октилалкоголь
Стекло Сталь Стекло Стекло Висмут Висмут Сталь Висмут Висмут Стекло Сталь Сталь Стекло Висмут Стекло Сталь Висмут Сталь 0.6С6 ) среднее 0,3924 J 0,4992 0,493 0,6061 среднее 0,30 j 0,453 0,451 0,3924 ) среднее 0,30 ) 0.3464 0,348 0,585 ) среднее 0,375 J 0,48 0,48 0,5176 ) среднее 0,2981 | 0,4078 0,41 0,5176) среднее 0,25 j 0,3838 0,38 0,2981 | среднее 0,25 j 0,274 0,27
Оценка качества смазки, употребляющейся в научных инстру-
ментах, зависит в первую очередь от способности смазки обра-
зовать прочные пленки, покрывающие поверхности металла
и уменьшающие статическое трение между скользящими частями
металла. С этой точки зрения масла из растительных и животных
жиров заслуживают предпочтения перед нефтяными маслами.
Прекрасной смазкой для скользящих частей фрикционных голо-
вок, для которых важно низкое пусковое (статическое) трение,
является гидрированный ланолин. К сожалению, он может вызы-
вать коррозию.
* Коллоидный графит, прибавленный к маслу, тоже хорошо
адсорбируется соприкасающимися поверхностями. Он пригоден
для смазывания конусов осей в спектрометрах, а в точной механи-
ке он специально употребляется для отливания твердых полиро-
вальников с целью получить слои Бейльби на трущихся поверхно-
стях. В особых случаях можно рекомендовать в качестве смазки чи-
стый бараний жир или „голландское сало". Голландское сало
представляет собой смесь бараньего жира с тяжелыми минераль-
ными маслами.
Для часов и других тонких механизмов желательно иметь
смазочное масло, которое было бы максимально стойко хими-
чески и от которого не ржавели бы металлические части; кроме
того, оно не должно ни испаряться, ни замерзать.
В наибольшей степени удовлетворяют этим требованиям
масла из головы и челюстей дельфина. Эти масла очень доро-
555
гие. К ним всего ближе подходит по качеству так называемое
костяное масло.
Хорошей смазкой для дерева является мыло. В качестве
смазки между резиновой и металлической поверхностями упо-
требляется обычно вода. В качестве сухой смазки при вбивании
клиньев, гвоздей и т. д. часто применяют тальк. Графит, осо-
бенно коллоидный, также является хорошей сухой смазкой как
при обыкновенной, так и при повышенной температурах. Кол-
лоидный графит, диспергированный в воде или в глицерине,
обладает свойством образовывать плотные пленки, что делает
его ценным для различных применений.
Диспергированный в глицерине графит применяют при низких
температурах.
Жировик, или тальковый камень
Если тальковый камень или натуральный тальк в кусках на-
греть до 500ГС, он отдает абсорбированную воду. Нагревая его
до 850°С, удаляют остатки воды, а нагревая до 1300°С вызывают
уже полное изменение его химического строения. При таком хи-
мическом превращении происходит резкое изменение всех его
свойств и, в частности, твердость по шкале Мооса возрастает от
1 до 6. Благодаря этому тальковый камень часто применяют
в лаборатории, так как его очень легко обрабатывать механи-
чески на станке и ручным инструментом до прокалки, а после
прокаливания получаются детали из весьма твердого материала,
обладающего многими ценными свойствами. При этом усадка при
прокаливании у талька оказывается меньше 1%. Обычно практи-
куется прокаливание при 1100°С в течение 24 — 48 часов. Было
отмечено, что материалы, содержащие железо, не следует упо-
треблять в вакууме, так как они отдают много газа. Импортный
итальянский тальковый камень совершенно свободен от примесей
железа; он поступает в продажу в виде больших блоков. То же
можно сказать и о тальке из некоторых уральских месторо-
ждений.
Тонкоразмолотый тальк можно спрессовать и прокалить при
1400°С; при этом получается спекшееся вещество, похожее на
то, которое получается от естественного плотного минерала.
Усадка порошка при такой прокалке бывает уже около 8%.
После прокалки он приобретает свойство не подвергаться дей-
ствию ни кислот, ни щелочей. Кроме того, его можно сваривать
со стеклом.
Тальк, как прокаленный, так и непрокаленный, химически до-
вольно инертен; на него не действуют ни кислоты (за исключением
слабого действия соляной кислоты), ни щелочи. На рис. 16
представлено электрическое сопротивление талька и некоторых
Других тугоплавких веществ как функции температуры.
5.57
Сходными с тальком свойствами обладает минерал талькохло-
рит, добываемый в Ленинградской области и других частях СССР.
Его также до прокалки обрабатывают на станках, при чем при
прокалке он твердеет почти без усадки. Стоимость его ниже
талька, но он менее однороден.
Рис. 16. Электрическое сопротивление огнеупорных материа-
лов при разных температурах.
1 — кварц; 2 — слюда (русская); 3 — тальк (магнезит); 4 — окись алюминия
(спеченная); 5 —фарфор берлинский; 6 — окись магния химически чистая;
7 окись алюминия (плавленая).
Коллоидальные растворы1
При получении коллоидальных растворов различных веществ
можно руководствоваться рецептами, в большом количестве при-
веденными в книге Сведберга. Здесь же указываются только не-
которые рецепты, которые, по опытам автора, также могли бы
с успехом применяться физиками, мало знакомыми с химической
техникой. Нужно помнить лишь о том, что очень многие жидко-
сти, например кофе, чай, пиво, растворы многих красок и т. д., пред-
ставляют собой „коллоидальные" растворы и в них обнаруживается
под ультрамикроскопом оживленное броуновское движение.
1. Коллоидальный раствор шеллака. Сухой шеллак раство-
ряется в абсолютном алкоголе, потом несколько капель этого
прозрачного раствора (до нескольких кубиков) наливают в дестил-
лированную воду. Мутный раствор опалесцирует и обнаруживает
сильный эффект Тиндаля.
2. Коллоидальные растворы всех благородных металлов
(по Бредигу). Их можно получить распылением металла вольто-
вой дугой под водой. Две толстые проволоки из соответствую-
1 Заимствовано из книги Ангерера «Лабораторная техника*. Прим. ред.
558
щего металла соединяют через сопротивления с полюсами элек-
трической цепи и регулируют сопротивление так, чтобы при ко-
ротком замыкании получался ток 3 — 8 А; после этого проволоки
приводят в соприкосновение под дестиллированной водой и раз-
двигают, чтобы образовалась дуга. Спустя несколько минут заме-
чается слабое помутнение воды, а спустя еще некоторое время
вода делается серо-коричневой. В этих растворах под ультра-
микроскопом можно рассмотреть частички весьма различной
величины (в случае серебра наблюдаются великолепные краски)г
которые спустя несколько недель оседают.1 *
3. Коллоидальный теллур. Маленький кристалл теллура при-
паивают (оловянным припоем) на острый конец проводника и вно-
сят его в качестве анода в сосуд с водой. Катодом служит про-
волока из любого материала. При включении электродов в осве-
тительную сеть теллур выбрасывает маленькие густые клубы
коричневого коллоидального теллура, которые при слабом тече-
нии жидкости в проекции похожи на дым фабричной трубы.
Проводимость дестиллированной воды для опыта часто слишком
мала, а обыкновенной воды — слишком велика. Целесообразно по-
этому сначала наливать в сосуд дестиллированную воду, а затем
добавлять в нее постепенно обыкновенную, до тех пор, пока не
будет достигнут наилучший эффект.
4. Красный раствор золота. Восстановление раствора хлор-
ного золота формальдегидом, раствором фосфора или фенилгидра-
зином дает красные коллоидальные растворы только в случае
весьма чистых веществ и только при соблюдении точных рецеп-
тов. В отличие от этого рецепт, указанный Оствальдом, заме-
чателен тем, что он, по выражению самого Оствальда, „всегда
идет". Небольшое количество (сколько поместится на кончике
ножа) таннина (дубильная кислота) растворяют в 50 см3 воды;
затем 12 г хлорного золота (желтого или коричневого) раство-
ряют в 100 см8 воды. Несколько кубиков раствора хлорного зо-
лота наливают в маленький химический стакан. Испытанием
лакмусовой бумажкой находят, что этот раствор обнаруживает
кислую реакцию, т. е. синюю лакмусовую бумажку делает крас-
ной. После этого к раствору хлорного золота добавляют ма-
ленькими порциями крепкий раствор двууглекислого калия до
тех пор, пока свежая синяя лакмусовая бумажка не перестанет
краснеть. Для получения коллоидального раствора нагревают
100 — 200 см3 дестиллированной воды в колбе, вливают одновре-
менно несколько капель нейтрализованного раствора хлорного
золота, взбалтывают и добавляют несколько капель раствора
таннина. После того как раствор нагреется, коллоидальное золото
приобретает нежную красную окраску. После этого можно, при
1 Прекрасные коллоидальные растворы в разных жидкостях можно получить
Л^ил°М°^И вь1сокочастотно11 ИСКРЫ между соответствующими электродами.
559
частом взбалтывании* каплями добавлять все больше и больше
золота и таннина до тех пор, пока цвет его не сделается почти
темнокрасным. Полученный виннокрасный коллоидальный рас-
твор весьма устойчив, но частички слишком малы, чтобы дать
под ультрамикроскопом эффектную картину.
Наиболее эффективный объект для демонстрации броуновского
движения (зеленые частички) дает составленный по рецепту Жиг-
монди раствор золота, который, однако, требует наиболее чи-
стых химических реактивов, в особенности весьма чистой све-
жей дестиллированной воды и не слишком старого формаль-
дегида.
Для его получения приготовляют следующие растворы:
А—1 г желтого хлорного золота в 167 см3 дестиллированной
воды.
В — 1 г чистого карбоната калия в 67 см3 дестиллированной
воды.
С — 1 см3 раствора формальдегида (химически чистый 35—40%)
в 300 см3 дестиллированной воды
240 см3 самой чистой воды в колбе Эрленмейера из йенского
стекла емкостью в 400 см3 нагревают до кипения и прибавляют
во время нагревания 5 см3 раствора А и 6 — 7 см3 раствора В.
Непосредственно после начала кипения быстро вливают при силь-
ном взбалтывании по частям 6 —10 см8 раствора С.
Спустя несколько секунд происходит реакция, раствор окра-
шивается в слабо фиолетовый или розовый, а затем в велико-
лепный виннокрасный цвет.
5. Синий раствор золота (при рассматривании в отраженном
свете — желто-коричневый). Желтые, весьма яркие частички можно
получить следующим способом: 0,5 г хлорного золота (желтого
или коричневого) растворяют в некотором количестве воды, ней-
трализуют несколькими каплями раствора соды, как это описано
выше, и разбавляют чистой водой до 500 см8. Прибавляют сюда
при встряхивании 1 — 2 см3 пятипроцентного раствора гидразия-
гидрата.
Гидразингидрат дает коллоидальный раствор с весьма боль-
шими частичками, которые в отраженном свете имеют блеск
золота и быстро оседают.
6. Коллоидальная платина. Легко получается по указанному
в п. 4 оствальдовскому рецепту. При этом вместо раствора
хлорного золота нужно взять раствор хлорной платины (соб-
ственно хлороплатиновая кислота), который также нейтрали-
зуется карбонатом калия. Различие только в том, что здесь
нужно несколько дольше (*/< часа) нагревать — почти до кипения,
пока раствор не окрасится в слабый коричневый цвет. При про-
должительном нагревании и попеременном добавлении платины
и таннина раствор вскоре делается почти черным.
7. Коллоиды с удлиненными частицами. 5 г окиси воль-
фрама растворяют в 100 см3 дестиллированной воды; затем рас-
560
твор вливают в двухлитровый химический стакан (колбу Бехера)
и добавляют такое количество разбавленной соляной кислоты,
чтобы раствор показывал сильную кислую реакцию; после этого
в стакан наливают дестиллированную воду. При добавлении
кислоты образуется светложелтый студенистый осадок, кото-
рый сначала заполняет весь стакан, но затем постепенно осаж-
дается.
Затем чистую жидкость надо слить и снова наполнить ста-
кан дестиллированной водой. Этот прием повторяют много раз.
При этом объем осадка постепенно уменьшается, пока на дне
сосуда не останется очень небольшое количество светложелтого
осадка.
Его несколько раз промывают дестиллированной водой и при
этом наблюдают, чтобы при размешивании его образовались
своеобразные шелковистые линии потока. Наконец, после осаж-
дения большую часть воды выливают. Полученный таким обра-
зом коллоид окиси вольфрама сохраняют в маленьких флаконах.
Разбавленный коллоид показывает под ультрамикроскопом ярко
светящиеся частицы.
8. Образование коллоида в поле зрения кардиоидного ультра-
микроскопа (по Зидентопфу). Приготовляют 25-процентный рас-
твор белого фосфора в сероуглероде. Раствор легко воспламе-
няется на воздухе, а потому с ним нужно обращаться очень
осторожно. Фосфор в растворе сначала находится в кристалли-
ческом виде, но под действием интенсивного освещения ультра-
конденсором образуется коллоидальный красный фосфор. Поле
зрения кажется с первого взгляда чистым, темным; но тотчас
образуются субмикроны, которые кружатся, как хлопья снега,
быстро увеличиваются и налепляются затем на стенки. Спустя
несколько секунд поле зрения становится ослепительно ярким.
Если сместить затем предметный столик, то на следующем месте
повторяется та же картина.
9. Различно окрашенное коллоидное серебро. Люппо-Крам-
мер указал красивый метод получения наиболее простым спосо-
бом желатиновых пластинок, которые обладают различными,
часто весьма яркими, цветами, вследствие наличия различной
величины частиц коллоидального серебра.
1. Раствор (желатина).
Промывают 5 г фотографической желатины в течение не-
скольких часов в сменной дестиллированной воде, потом
отжимают и растворяют в 250 см8 теплой воды.
2. Раствор К (желатина).
Подобным же способом распускают 25 г желатины в 250 см3
воды.
3. Растворы А, В, С и D (составляются по весу).
А—1,75 частей азотнокислого серебра
1,75 частей дестиллированной воды
36 Стронг
561
В — 1 часть желтого декстрина
10 частей дестиллированной воды
С — 1 часть едкого натра
10 частей дестиллированной воды
D — 1 часть гидрохинона (свежего — белого)
10 частей этилового спирта
4. Раствор rSSu
Смешивают по 10 см3 растворов £?и С, добавляют 23 см3 де-
стиллированной воды и при непрерывном взбалтывании
приливают 7.5 см3 раствора А.
Получается черный раствор коллоидального серебра.
10 см3 этого раствора разбавляют до 300 см3 дестиллиро-
ванной водой — это и будет раствор
5. Раствор „ЖАи
Нагревают до 30° раствор Ж пока вся желатина не рас-
Таблица А
Стакан
Состав
Цвет на просвет
I
50 см3 ЖА
6 „ SS
2 „ D
серовато-синий
(крупные частички)
50 см3^А
0,25 , SS
2 , О
синий
III
50 ЖА
1 . SS
2 , D
красный
IV
50 см3 Ж А
2,5 . SS
2 . D
коричневато-желтый
50 ЖА
5 . SS
2 „ D
V
зеленый, самые мел-
кие частицы
пустится, и к нему приливают 10 см3 раствора А. Полученный
раствор »ЖАи делят на 5 равных частей, разливая в отдельные
стаканчики, и добавляют в них растворы и D в разных
количествах, указанных в табл. А.
Реакция заканчивается в течение 20 мин. В каждый стакан
добавляют по 50 см3 раствора А, перемешивают и разливают на
стеклянные пластинки для высушивания. После высыхания полу-
чаются более яркие и разнообразные окраски.
562
Жидкости с большим удельным весом
Вещество Плотность
Йодистый этил (чистый) Ртутно-натровая бромистая соль (Clerici) (в воде) Бромоформ (чистый), растворимый в спирте Ацетилентетрабромид (по Muthmann) Ртутно-бариевая бромистая соль (по Toulet Clerici и Duclaux) (в воде). Ртутно-калиевая иодистая соль (по Toulet) (в воде) Борно-вольфрамовокислый кадмий (по Klein) (в воде) Йодистый метилен (чистый) Ртутно-бариевая иодистая соль (по Rohrbach) (в воде) Талиевая серебряная азотнокислая соль (точка плавления 7,5°) . . . 1,934 2,8 2,904 2,97 — 3,0 3,05 3,17 3,28 3,32 3,56 4.5
Указанные удельные веса жидкостей относятся или к чистым
веществам или к насыщенным растворам; последние дают воз-
можность варьировать плотность путем разбавления. Все эти
жидкости обладают значительными показателями преломления
и дисперсиями, а потому часто употребляются в рефрактометрии-
36*
ГЛАВА XIV
ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ИНСТРУМЕНТОВ И ПРИБОРОВ
Резание металлов
Сущность процесса резания на токарном, фрезерном или ка-
ком-либо ином металлорежущем станке состоит в том, что резец,
представляющий собой клин из твердого металла, непрерывно
вводится под поверхностный слой изделия. На рис. 1 изображен
типовой токарный резец. При работе на токарном станке изделие
вращается, а резец неподвижен, между тем как при работе на
фрезерном станке имеет место обратная картина. Это различие,
Рис. 1. Установка резца на токарном станке.
1 —передний угол; 2 —угол заострения; 3 —задний угол; 4—угол наклона
режущей кромки.
однако, не имеет принципиального значения. Существенными для
процесса резания факторами являются угол заострения резца,
передний угол и задний угол резания, а также скорость и по-
дача, при которых осуществляется резание металла.
Угол заострения резца показан на рис. 1.
Для обработки твердых и хрупких металлов рекомендуется
применять резец с большим углом заострения, для мягких, вяз-
ких металлов — этот угол должен быть меньше. Например, для
латуни и чугуна обычно выбирается угол заострения в 75°, для
564
стали — 40°, а для меди и алюминия еще меньший. Тонкие, острые
резцы с небольшим углом заострения, а также закругленные, не-
устойчивы при тяжелых условиях резания, хотя резцы с закруг-
ленной вершиной лучше осуществляют отвод тепла от режущей
кромки и таким образом являются более производительными.
Передний угол резания показан на рис. 1 и 2. От величины
переднего угла зависит степень деформации или наклепа снимае-
мой стружки. Увеличением переднего угла достигается уменьше-
ние этого наклепа и нагрева резца. При большом переднем угле
силы, действующие между стружкой и резцом, скорее тангенци-
альны, чем нормальны. Нормальные усилия желательно уменьшить
при резании мягких вязких металлов, которые легко пристают
к резцу. При обработке бронзы передний угол должен быть почти
равен 0° или может быть даже отрицательным (рис. 2).
При токарной обработке задний угол резания представляет
собой угол при вершине между задней гранью резца и направ-
лением, по которому снимается стружка (рис. 1). Необходимо
иметь в виду, чтобы угол этот, в частности при расточке, был
достаточно велик для того, чтобы задняя грань резца не терлась
о поверхность обрабатываемого изделия. Величина заднего угла
для резания мягких, вязких металлов берется в 35°, для чугуна
и латуни 1О0.1
Обработку латуни следует производить при больших скоро-
стях, за исключением тех случаев, когда производят обточку от-
ливок или применяют отрезные резцы. Работа отрезными резцами
при больших скоростях вызывает дрожание резца. Необходимая
скорость и подача при работе отрезными резцами устанавливается
в зависимости от размера изделий, но в общем эти факторы оп-
ределяются опытным путем. Уменьшение дрожания при работе
отрезными резцами достигается при помощи деревянного клипа,
вставляемого в трубку.
Обрабатываемый материал Передний угол Угол заострения Задний угол
Машиноподелочная сталь мягкая . . . 25° 57° 8°
Машиноподелочная сталь средней твер- дости 20° 62° 8е
Машиноподелочная сталь твердая . . . 15° 6Т 8°
Чугун средней твердости 15° 67° 8°
, твердый 10° 72е 8°
Бронза средней твердости, латунь . . 10° 72° 8°
Бронза твердая 5° 77° 8°
Алюминий, медь 25° 57° 8°
1 С рекомендованными автором величинами углов резцов согласиться весьма
трудно. Для ориентировки в выборе этих величин ниже приводится таблица
главных углов резца по стандарту, принятому у нас в СССР. Прим. ped.
565
На рис. 3 изображен метод профилирования головки отрезного
резца, обеспечивающий его устойчивость, т. е. работу без дро-
жания. Вершина угла наклона режущей кромки в плане этого
резца расположена асимметрично относительно головки таким об-
Рис. 2. Неправильная установка резца.
1 — положительный передний угол; 2 — отрицательный передний угол.
разом, что резец под прямым углом врезается в материал. Кромка
резца заточена со стороны, обращенной к изделию, на котором
желательно получить чисто обработанную поверхность. На остав-
Рис. 3. Отрезной
резец.
Рис. 4. Чистовой
резец.
шейся же после отрезки части заготовки могут поэтому получаться
незначительные заусенцы.
При обработке стали резание ведется при оптимальной скоро-
сти, выдерживаемой резцом без его пережога. При окончательных
проходах умеренная скорость дает более чистую поверхность.1
1 Это условие будет достигнуто в тех случаях, когда скорость резания
будет принята в 1—1,5 м/мин. При таких скоростях, однако, будет иметь
место крайне низкая производительность процесса резания. Практика показала,
что высокое качество обработанной поверхности получается также при больших
скоростях. Так, например, при обработке стали на отделочных проходах исполь-
зуется скорость в 60— 80 м/мин. Прим. ред.
566
Резцы с закругленной вершиной дают ровную чистую поверх-
ность. На рис. 4 изображен подобный резец с задним углом в 10° для
обработки латуни или чугуна. Этот резец имеет небольшие бо-
ковые углы наклона режущей кромки, ввиду чего резание мо-
жет происходить как в направлении передней, так и задней
бабок.
Применяемые при резании металлов жидкости служат глав-
ным образом для охлаждения стружки и резца и предотвра-
щают заедание последнего. Латунь, бронзу и чугун можно об-
рабатывать всухую (за исключением операций по нарезке резьбы,
накатке и полировке, когда применяют машинное масло). При
обработке вязких металлов, как, например, стали, применяют
растворимое или лярдовое масло. При обработке алюминия часто
применяют керосин или скипидар, для меди — молоко. Свинец
и баббит обтачивают всухую. Масло применяют лишь при опи-
ловке, сверлении и нарезании резьбы.
Токарный станок 1
Токарный станок представляет собой один из наиболее уни-
версальных станков в механической мастерской. На нем можно
производить почти все операции, выполняемые на других типах
станков, как, например, на фрезерном, поперечно-строгальном,
сверлильном и т. д., а также много других операций, выполняе-
мых только на токарном станке.
Главными частями токарного станка являются: шпиндель,
задняя бабка, суппорт (или каретка), направляющие, резцовые
салазки и поворотный суппорт.
Шпиндель приводится во вращение от внешнего привода
и устанавливается в подшипниках, в которых он вращается только
вокруг постоянной оси.
Задняя бабка делается подвижной; ось ее совпадает с осью
вращения шпинделя. Задняя' бабка установлена на направляющих,
на особых салазках, что дает возможность регулировать расстоя-
ние между задней бабкой и концом шпинделя, в зависимости
от длины обрабатываемого изделия. Суппорт служит главным
образом для установки режущего инструмента и для сообщения
ему движения параллельно оси вращения изделия. Направляющие
станины предназначены для перемещения суппорта и задней бабки.
Направляющие отливают вместе со станиной или делают их в виде
особой рамы и располагают строго параллельно оси шпинделя.
Резцовые салазки представляют собой направляющие с уста-
новленным на них суппортом и расположенные перпендикулярно
к оси вращения. Резцовый суппорт установлен на салазках и пред-
назначен для регулировки положения резца относительно оси
шпинделя. Подъемный суппорт тоже состоит из направляющих
1 Обработал Р. Хэйворд.
567
с салазками. Он установлен на резцовом суппорте и для него
предусмотрена возможность перемещения установленного на нем
резца в любом горизонтальном и вертикальном направлении
относительно оси шпинделя.
Токарные станки обычно снабжают двумя патронами: трехку-
лачковым и четырехкулачковым. В трехкулачковом патроне ку-
лачки перемещаются вращением спирали, помещающейся внутри
корпуса патрона. Однако эта конструкция с механической точки
зрения не является достаточно совершенной, так как кулачки
никогда не приближаются к центру совершенно равномерно,
следствием чего является неточное центрирование изделия.
Центрирование заготовки с точностью до 0,08 мм — это все,
что можно ожидать от этого патрона. Трехкулачковый патрон
отвечает своему назначению только в том случае, если заготовка
обтачивается за одну установку по всем своим поверхностям.
Коль скоро изделие вынуто из патрона, повторная его установка
концентрично обработанным поверхностям фактически уже невоз-
можна.
В четырехкулачковом патроне перемещение каждого кулачка
регулируется в отдельности, и поэтому точность центрирования
зависит от опытности токаря. При наличии стрелочного индика-
тора опытный токарь может в течение 5—10 минут сцентриро-
вать заготовку с точностью до 0,005 мм. В четырехкулачковом
патроне возможна также установка заготовок эксцентрической
или неправильной геометрической формы.
Стрелочный индикатор представляет собою измерительный
прибор, устанавливаемый на резцедержателе таким образом, что
выступающий рычаг или штифт касается заготовки в процессе
ее вращения. Стрелка индикатора показывает эксцентричность
закрепленной в патроне заготовки непосредственно в тысячных
долях дюйма или в сотых долях миллиметра. Кроме того, этот
прибор может быть снабжен дополнительным приспособлением
для измерения отверстий.
Иногда, однако, желательно производить центрирование изде-
лия по метке, набитой кернером. В таких случаях можно пользо-
ваться круглым острым штифтом с резинкой на конце; острие
штифта вставляют в накерненную метку, а резинку — в заднюю
бабку. Затем индикатор устанавливают таким образом, чтобы
он касался штифта сбоку, и при вращении изделия отмечают
эксцентричность накерненной метки.
Основная работа, выполняемая токарным станком, — обточка
тел вращения. Эти операции выполняют путем установки изде-
лия непосредственно на шпинделе (в патроне) или же между
шпинделем и неподвижным центром задней бабки таким образом,
чтобы изделие могло вращаться навстречу режущей кромке резца.
Правильная форма изделия при этом зависит от точности уста-
новки подшипников шпинделя и отсутствия „боя“ у последнего.
568
Если это не будет соблюдено, то точности выполнения работы
достичь не удастся.
Резец надо устанавливать таким образом, чтобы его режущая
кромка перемещалась в горизонтальной плоскости, по возмож-
ности на уровне горизонтальной плоскости, в которой лежит ось
вращения. Резец, по мере вращения изделия, производит непре-
рывные круговые проходы, в результате чего получается кони-
ческая поверхность. При механической обработке представляют
особый интерес два вида конуса: „нулевой", т. е. цилиндр, и конус
с углом при вершине в 180°—плоская, торцевая поверхность,
получаемая поперечной обточкой. Все остальные случаи подпа-
дают под общее понятие обычной конусной обточки.
Цилиндрическая поверхность получается перемещением резца
параллельно оси вращения изделия. На практике, однако, этою
не бывает, но на точных токарных станках ошибки незначительны.
Если изделие установлено на шпинделе, то параллельное оси
перемещение резца возможно только в том случае, когда напра-
вляющие суппорта расположены строго параллельно шпинделю
и когда они абсолютно прямолинейны. В горизонтальном напра-
влении направляющие обычно бывают прямыми, но в вертикаль-
ном направлении, ввиду их износа, приобретают вид вогнутых
поверхностен, что обусловливает некоторое относительное смеще-
ние суппорта в вертикальной плоскости.
Вследствие этого всегда рекомендуется устанавливать резец
таким образом, чтобы вершина его режущего угла была на
равной с осью вращения высоте от направляющих, так как
ошибки, вызываемые перемещением суппорта вверх и вниз, этим
сокращаются до минимума.
В тех случаях, когда изделие устанавливают между центрами
шпинделя и задней бабки, вернее на конические поверхности
этих центров, вращение осуществляется при помощи поводка
на планшайбе; точность обработки зависит от параллельности
направляющих с осью, проходящей через вершины центров.
Происхождение ошибок связано здесь чаще всего с неправиль-
ной установкой задней бабки, т. е. в силу ее бокового смещения,
что, однако, легко поддается устранению. После пробного про-
хода измеряют диаметры обоих концов изделия и производят
правильную установку задней бабки при помощи регулировочных
винтов, имеющихся обычно у станка. При чрезмерно высоком
или низком расположении задней бабки исправить ошибку можно
лишь путем установки резца по средней высоте обоих центров;
этим достигается известное уменьшение ошибок.
Если скалка или пиноль задней бабки, несущей центр, не может
быть перемещен в процессе установки изделия параллельно оси
шпинделя, то центровку лучше всего производить при пиноле,
заведенном внутрь бабки- Иногда вершина неподвижного центра,,
т. е. центра задней бабки, бывает искривлена или изношена;
в этих случаях вполне ясны необходимые мероприятия. Неболь-
569
шая неточность в осевом положении вращающегося центра,
т. е. центра шпинделя, не имеет особого значения в тех случаях,
когда изделие подвергается дополнительной обработке на других,
более точных станках. Вращающийся центр обычно изготовляют
из мягкой стали, при чем для точных работ его заправку прак-
тически производят до установки изделия, путем заточки конуса
на месте.
Один из способов обточки цилиндра, т. е. поверхности с по-
стоянным диаметром, состоит в том, что заготовку крепят на план-
шайбе при помощи кулачков и поддерживают подвижным люне-
том, установленным на суппорте, как раз против резца. Это
обеспечивает постоянство диаметра обточки, но не обеспечивает
прямизны оси заготовки. Иногда, при обработке тонких изделий,
один из концов заготовки крепят в кулачковом патроне, а другой
поддерживают центром задней бабки. Этот способ установки не сле-
дует рекомендовать, так как в процессе снятия стружки с изде-
лия происходит удаление внутренних напряжений, главным обра-
зом в тех случаях, когда заготовкой является холоднокатаная
сталь и прокатанная или ' штампованная латунь. В результате
этого при снятии со станка изделие окажется искривленным, так
как оно поддерживалось задней бабкой в согнутом виде. Для
предотвращения осевого изгиба рекомендуется крепить изделие
между центрами и поддерживать его при помощи подвижного
люнета.
Иногда на противоположной стороне изделия устанавливают
второй резец с обращенной вниз вершиной, благодаря чему полу-
чается равномерный диаметр изделия по всей его длине. При нарезке
резьбы этим способом сокращаются, кроме того, периодические
ошибки резьб большой длины, но при этом требуется, конечно,
очень точная установка обоих резцов.
При расточке цилиндрических отверстий с установкой изде-
лия на шпинделе точность обработки зависит исключительно
от параллельности направляющих. В тех случаях, когда изделие
устанавливают на суппорте, сквозь грубо расточенное отверстие
пропускают расточную скалку с резцом и зажимают ее между
центрами. Установленный таким образом на скалке резец опишет
путь, близкий к форме теоретической окружности, и по мере подачи
изделия автоматически получается отверстие постоянного диа-
метра. От прямизны направляющих зависит прямизна оси отвер-
стия, но параллельность направляющих с осью шпинделя и осью
расточки (или их небольшая неточность в этом направлении) не
имеет существенного значения.
При расточке коротких отверстий на шпинделе может быть
у становлена „летучка" (резец на короткой борштанге), при чем
результат получается такой же, как и при работе расточной
скалкой. В большинстве случаев, когда заготовка может быть
установлена в патроне, отверстие растачивают приближенно
на необходимый размер с некоторым припуском и затем при
.570
помощи развертки „доводят" на окончательный размер диа-
метра.
Расточку длинных конусов следует производить при помощи
специального приспособления, если таковое имеется на станке.
Если же оно отсутствует, то изделие зажимают между центрами,
и заднюю бабку смещают с ее центрального положения.
Угол конуса зависит от величины смещения задней бабки
и длины обрабатываемого изделия.
Поскольку длина изделия, равная расстоянию между центрами
в точках пересечения оси
изделия с осями перед-
ней и задней бабок, не
может быть точно изме-
рена, постольку нельзя
заранее определить точ-
ный угол подлежащего
обработке конуса. Следо-
вательно, величина сме-
щения задней бабки для
обточки заданного конуса
может быть определена
лишь опытным путем.
Поворотный резцедер-
жатель крестового пово-
ротного суппорта (рис. 5)
применяют для обработки
коротких конусов. Это
одно из наименее точных
устройств токарного стан-
ка, а поэтому и большой
точности обработки здесь
ожидать нельзя. Деления
на поворотном диске, служащие для установки угла смещения,
обычно очень грубы, и поэтому их следует рассматривать
только как приближенный ориентир для установки салазок. По-
следние имеют весьма небольшую длину, а потому и не обладают
надежным направляющим действием, но тем не менее ими можно
пользоваться для обточки и расточки коротких конусов, приго-
няемых друг к другу, как, например, корпусов небольших крани-
ков и пробок к ним, поскольку ошибка в геометрической форме
конуса может быть исправлена в дальнейшем, при притирке.
Сначала на станке надо устанавливать ту часть, в которой
следует обработать расточным резцом конусное отверстие. Этот
резец подводят к задней (по отношению к токарю) стороне отвер-
стия; шпиндель при этом вращается в обратную сторону. По окон-
чании этой операции планшайбу или патрон снимают со станка
вместе с изделием и, следовательно, в случае надобности даль-
нейшей обработки, отпадает необходимость во вторичном центри-
Рис. 5. Перемещение крестового суппорта (с ут-
рированной неточностью).
1 — направление движений резца
571
ровании изделия. После этого устанавливают ту часть, на которой
будет проточен наружный конус, при чем здесь установку на цен-
трах следует предпочесть другим видам установки.
Обточка, как и расточка, ведется при помощи крестового
суппорта, что является известным обеспечением взаимного совпа-
дения конусов. В тех случаях, когда направляющие суппорта
не обладают достаточной прямизной, резец следует устанавли-
вать таким образом, чтобы его вершина была вынесена как можно
дальше от направляющих, т. е. так же, как это имеет место при
расточке отверстия под конус. Если расточка конусного отвер-
стия и обточка наружного конуса будут выполняться на одном
и том же участке направляющих суппорта, то ошибка, происшед-
шая при обработке конуса, будет компенсирована соответствую-
щей ошибкой конусного отверстия. Деталь с наружным конусом
надо устанавливать на центрах; она может быть снята со станка
для припасовки к конусному отверстию и вновь установлена
на станок для обработки до желательного размера. Окончатель-
ная пригонка достигается притиркой обоих конусов при помощи
пасты „Воп Апп“, пасты „ГОИ“ или каким-либо другим подхо-
дящим абразивным материалом.
Мы здесь не можем детально рассмотреть процессы опиловки
и шабровки. Они описываются во многих стандартных руковод-
ствах по механической обработке и инструментальному делу.
При опиловке и шабровке рабочему предоставлена полная воз-
можность показать свое умение работать. Оба эти процесса,
в целях получения желательной поверхности, подобно профили-
рованию оптических поверхностей, осуществляются в тесном
чередовании самых точных методов измерения с тщательной
ручной обработкой путем снятия слоя металла. При опиловочных
работах для контроля обрабатываемой поверхности обычно при-
меняют линейку, угольник и штангенциркуль. При шабровке
измерение поверхности производят при помощи берлинской
лазури, при чем пришабривать изделие нужно до тех пор, пока
не будет достигнут полный контакт между обеими обрабаты-
ваемыми частями.
Изготовление плоских калибров производят по так называе-
мому методу „трех линеек", состоящему в том, что все три ли-
нейки пришабривают до тех пор, пока одна из них не даст удо-
влетворительного контакта с двумя другими.
Из вышесказанного видно, что различные операции механиче-
ской обработки могут быть до известной степени классифициро-
ваны по их точности. С одной стороны, существуют операции,
как, например, прорезание круглых отверстий или пригонка двух
конусов путем притирки, где высокая точность обработки дости-
гается автоматически. С другой стороны, существуют операции,
точность выполнения которых зависит от точности элементов
станка, например обработка гладкого цилиндра на токарном станке
или фрезерование направляющих. Наконец, имеются и такие опе-
572
рации, которые зависят исключительно от квалификации рабо-
чего, например установка изделия на станке так, чтобы новые
проходы резца соответствовали бы так или иначе ранее обрабо-
танным поверхностям, или опиловка заданного профиля.
Рабочему предоставляются большие возможности для прояв-
ления своей изобретательности в деле достижения больших точ-
ностей обработки. Мы уже приводили примеры обработки изде-
лий в одну установку на трехкулачковом патроне, а также исполь-
зования одного и того же участка направляющих для перемеще-
ния салазок крестового суппорта для обработки двух сопрягае-
мых конусов и т. п.
Паяние „слабыми" (легкоплавкими) припоями
Для получения натежно спаянных соединений требуется пред-
варительная тщательная очистка подлежащего паянию шва и при-
менение так называемого флюса. Назначение последнего — вы-
травить с поверхности всю грязь, а также защитить эту поверх-
ность и припой от окисления.
Наилучший флюс для паяния изготовляют из смеси двух ча-
стей хлористого цинка и о^ной части хлористого аммония (т. е.
нашатыря), растворяемых в минимальном количестве воды. При
применении паяльника часть флюса иногда разбрызгивается; если
после окончания работы он не будет тщательно удален, то места,
на которые попал флюс, начнут быстро окисляться; это имеет
место главным образом тогда, когда паянию подвергается же-
лезо. При промывке изделия раствором соды окисляющее дей-
ствие хлористого цинка и кислоты флюса в большой мере ней-
трализуется. Кроме корродирующего действия разбрызганный
флюс может создать электропроводность поверхностных слоев
деталей приборов, которые должны обладать высокими изоля-
ционными свойствами. При паянии таких изделий рекомендуется
применять растворы некоторых смол в алкоголе (нередко для
этого применяется канифоль), являющиеся исключительно хоро-
шими флюсами, не проводящими тока (например, для паяния
медной проволоки).
Кроме того, в продаже имеются также так называемые
некорродирующие пасты, изготовляемые из вазелина (90%) и хло-
ристого аммония (10%).’
Для успешного паяния имеют важное значение три фактора,
1 Для паяния слабыми припоями широко применяется флюс, состоящий
из хлористого цинка, получаемого путем растворения чистого цинка в соляной
кислоте. Процесс изготовления этого флюса состоит в том, что в сосуде соляной
кислотой кладут цинк до тех пор, пока он не перестанет растворяться. Затем
полученную жидкость рекомендуется прокипятить с остатками цинка, что дает
уверенность в том, что в растворе не останется свободной кислоты, которая
обладает свойством разъедать металл. Прекрасным флюсом для латуни и др.
металлов является стеарин от свечки. Прим. ped.
573
Рис. 6. Соединение
спайкой.
1 — место припоя.
а именно: чистота поверхности, качество флюса и достаточное ко-
личество теплоты, подводимой к месту спая. Некоторые виды
спаев возможно делать исключительно на пламени горелки или
паяльной лампы, другие при помощи паяльника. Лучшие резуль-
таты получаются при комбинировании этих двух способов, глав-
ным образом, когда производится паяние сложных приборов
и когда соединению подлежат относительно крупные части. Уме
ренное пламя, направляемое на всю поверхность соединяемых
частей, сообщает основную теплоту, поддерживая температуру
изделия в пределах 125—150°. Более высокая температура, не-
обходимая для протекания припоя, достигается местным нагревом
при помощи паяльника. Этот способ уменьшает опасность рас-
плавления уже спаянных участков шва —возможность, с которой
приходится практически считаться, когда
спаивание выполняют только одним пла-
менем лампы. Кроме того, при этом легче
регулировать паяльником количество добав-
ляемого припоя и его распределение по
шву, чем при работе лишь с одним пла-
менем паяльной лампы.
С другой стороны, пламя лампы, сооб-
щая основную теплоту соединяемому шву,
ускоряет процесс нагрева паяльником и
увеличивает эффективность приставания
расплавленного припоя к изделию и собира-
ние его только к месту соединения частей.
Соединяемые поверхности полезно сначала облудить при более
высокой температуре, а затем при более низкой, с помощью
паяльника нанести на них припой по краям в виде валика, на-
значение которого состоит в заполнении всего промежутка между
спаиваемыми поверхностями и в предотвращении утечки припоя,
так как в противном случае в шве при его охлаждении могут
образоваться пустоты и пропуски. На рис. 6 показано, каким
образом углубление, проточенное в недоступном для паяльника
месте, может служить той же цели, что и вышеуказанный валик
припоя.
Многие марки легированных сталей, а также чугун, сплавы
магния, алюминия, вольфрама и молибдена, представляют суще-
ственные затруднения в паянии их слабыми припоями.1
1 Наиболее распространенными в СССР слабыми припоями для лабораторных
целей являются оловянисто-с винновые, отдельные марки которых (по OCT 2S83)
имеют следующее практическое применение: ПОС-35 (35о/о Sn) для паяния цин-
ковых и онинкова! ных листов и кабельных свинцовых пластин, ПОС-50 (5Оо/о Sn)—
для паяния латуни, б лой жести и электротехнических изделий и ПОС-61 (64о/о Sn)—
для паяния легкоплавких сплавов. Для самых низких температур хорошим при-
поем является сплав, применяемый для шоопирования (Bi— 50о/о, Sn—25о/с, Cd—
25о'о) с температурой плавления 105—110° С. Прим. ред.
574
Паяние крепким припоем
Несмотря на то, что существуют некоторые типы промежу-
точных припоев, плавящихся при температурах между точкой
плавления мягкого и серебряного припоя, практически их ни-
когда не применяют в широком масштабе. Эти припои могут
быть полезны в некоторых специальных случаях, но для общего
применения они не пользуются той хорошей репутацией, какая
создалась для серебряного припоя; его не может превзойти ни
один из других припоев в отношении прочности, пластичности,
силы сцепления, способности проникновения в металл соединяе-
мых частей и сопротивления коррозии.
Для паяния крупных изделий серебряным припоем необходи-
мая теплота получается от пламени паяльной лампы или кисло-
родно-ацетиленовой горелки, для мелких изделий — от пламени
обычной газовой или кислородной горелок. Предварительный
нагрев должен осуществляться так, чтобы интенсивному нагреву
были подвергнуты наиболее массивные части и те части, кото-
рые обладают наивысшей теплопроводностью. Общий предвари-
тельный нагрев изделия предотвращает его коробление и спо-
собствует интенсивному окончательному нагреву предназначен-
ных для паяния швов.
Поверхности, подлежащие соединению серебряным припоем,
предварительно покрывают жидкой пастой, состоящей из 5 —
10 частей буры, 1 части борной кислоты и небольшого коли-
чества воды. Буру и борную кислоту применяют и в порошко-
образном виде. Можно применять и одну буру в сухом виде.
Преимущество пасты состоит в точном ограничении поверхности,,
подлежащей покрытию жидким сплавом, чтобы сплав не расте-
кался за пределы протраченной пастой поверхности. Флюс для
нержавеющей стали изготовляют из 1 части буры и 1 части
борной кислоты, смоченных раствором насыщенного хлористого
цинка (см. гл. XIII, стр. 539).
Для спаивания крупных деталей серебряный припой приме-
няют в виде проволоки или стержня, которые прикладывают
к шву после того, как изделие надлежащим образом покрыто
флюсом и нагрето до надлежащей температуры. Проволоку для
паяния также следует покрыть флюсом. Для спайки мелких изде-
лий применяют небольшие куски серебряного припоя либо
в виде коротких отрезков проволоки, либо кусочков листового
припоя, наносимых вместе с флюсом на спаиваемые поверхности
до нагрева изделия. Когда подлежащие спайке части хорошо
пригнаны друг к другу, то вполне достаточно тонкого слоя се-
ребряного припоя, чтобы получить хорошее соединение. Приме-
нение серебряного припоя в излишнем количестве является рас-
точительностью.
Для установки и крепления изделий при спаивании могут
575
служить асбестовая подкладка и пластинки из древесного угля;
надо принять меры для предотвращения горения последних (рис. 7).
После того как паяние шва выполнено, флюс лучше тотчас
же удалить, промыв изделия в холодной воде. Однако это не
рекомендуется делать в отношении крупных и точных изделий,
так как получающаяся при этом закалка всегда приводит к неко-
торому короблению последних. Флюс
из буры медленно растворяется в
слабом растворе горячей серной кис-
лоты и его применяют в тех случаях,
когда является желательным травле-
ние поверхности.
Точечная сварка
Рис. 7. Образец паяльной
работы.
Нагрев осуществляется ручной
газовой горелкой илн горелкой
Бунзена: 1 и 2— кусочки серебря-
ного припоя; 3 — для крепления
изделия можно употреблять старые
иголки от фонографа; 4 —сверну-
тая по форме диска асбестовая
лента _шириною около 20 мм, свя-
занная проволокой.
Другим часто применяемым в ла-
бораториях методом для соединения
металлических изделий является то-
чечная сварка при помощи электри-
ческого тока. Обычно агрегат для то-
чечной сварки получает электроэнер-
гию через трансформатор мощностью
в 1 или 2 киловатта. Первичную об-
мотку трансформатора соединяют с
источником переменного тока и снаб-
жают ответвлениями или же последовательно соединяют с рео-
статом для регулирования сварочного тока. Вторичная обмотка
обычно представляет собою несколько оборотов толстой медной
проволоки (около 4 мм в диаметре), рассчитанных так, чтобы
получить во вторичной обмотке напряжение около 6 вольт.
Лучше делать ее из плоской медной шины сечением не менее
15 мм2.
Толстая медная обмотка проводом такого же сечения присое-
диняется к двум медным электродам, подводящим ток к подле-
жащему сварке шву. Сварка осуществляется теплом Джоуля,
выделяющимся в течение долей секунды в месте контакта между
свариваемыми металлическими поверхностями в тот момент,
когда ток замыкается в первичной обмотке трансформатора.
Степень нагрева регулируется реостатом и продолжительно-
стью включения тока. Электроды приводятся в контакт с изде-
лием с определенным давлением, регулируемым ножной педалью.
Существенно важным является соблюдение надлежащего давле-
ния и продолжительности прохождения тока. Недостаточное
давление может вызвать пережог и „брызги" в месте соедине-
ния, между тем как слишком высокое давление уменьшает
сопротивление в шве, а следовательно и тепловой эффект от тока.
Лучше всего свариваются металлы с одинаковой температу-
рой плавления Тт°С и с одинаковой теплопроводностью К.
<576
В табл. 1 дана характеристика различных металлов, применяемых
в лабораториях, в отношении их свариваемости точечным швом,
по данным Эспе и Кноля (Л. XIV, 11, 1).
Проводники с различными температурами плавления и тепло-
проводностью лучше всего свариваются тогда, когда их тиа-
метры d находятся в следующем соотношении:
К,
Таблица 1
Способность металлов к сварке точечным швом
Лучше всего
Хорошо
С трудом
Никель с же-
лезом
{вольфрамом
молибденом
танталом
медью
Никель с <
( алюминием
| медью
Железо с | констан-
I таном
(вольфрамом
молибденом
танталом
Алюминий с алюминием
Все прочие металлы трудно поддаются соединению точечным
швом (за исключением случаев сварки в нейтральной или вос-
становительной среде).
Конструирование приборов
Прогибы. Конструкциям приборов многие авторы уделили
достаточно внимания. Поэтому мы здесь рассмотрим лишь общие
кинематические соотношения и расчеты для определения про-
гибов по отношению к приборам.
Когда какой-нибудь элемент прибора подвергается пере-
менным нагрузкам, возникающим вследствие неравномерного
трения между движущимися частями, конструктор должен
уметь определять влияние этих переменных усилий на состоя-
ние частей приборов.
Такого рода задачи нередко бывают трудно разрешимыми
ввиду их сложной геометрической концепции. Однако в этих
случаях уже удовлетворительны ответы в пределах точности
от 50 до 100°/о. Более точное решение можно нередко полу-
чить путем перехода к более простой геометрической форме,
изгиб которой можно рассматривать как первое приближение
по отношению к изгибу изучаемой части прибора. Формулы
Для определения прогиба простых геометрических сечений,
различно закрепленных и нагруженных, приведены на рис. 8.
ЭГ Стронг 577
Для подобных расчетов иногда необходимо знать моменты
инерции поперечного сечения балок и стержней по отношению
к их осям, проходящим через их центры тяжести. На рис. 9
даны моменты инерции для прямоугольных и круглых стержней,
трубок и двутавровых балок.
Рис. 8. Прогиб балок по Врайту.
/—момент инррции поперечного сечения
балки: «о—равномерно распределен-
ная нагрузка на единицу длины балки;
/•'—прилагаемое усилие; 8 — стрела
прогиба.
12
Га
Рис. 9 Моменты инерции неко-
торых фигур сечений. (Момен-
ты инерции других сечений
могут быть найдены в спрагоч-
никах по машиностроению).
На рис. 10 приведены формулы расчета сплющивающего
давления для сферических и цилиндрических корпусов и
плоских круглых днищ, подвергнутых внешнему давлению.
Эти формулы можно применять при проектировании вакуум-
резервуаров.
Для изготовления спектрометров и других приборов, требую-
щих особо точного взаимного расположения различных элемен-
тов, физики часто употребляют двутавровые балки больших раз-
меров и повышенной прочности. Если прибор является спектро-
578
метром, то обычно одна или несколько поверхностей двутавровых
балок обрабатываются для создания базы под установку объек-
тивов, экранов, призм или столиков.
Теоретическое предельное
давление для круглого незакрепленного днища:
2
8°ур ^3
(3 + р)
Сплющивающее давание для полусферического конца:
2«i
Л.П1 — о /
Прогиб в центре круглого днища, закрепленного по краям:
г=ЗР #1(1 ~Ра)
16
Прогиб в центре для незакрепленного круглого днища:
ЗР/?| (1-р)(5+р)
16Е/з
Теоретическое предельное давление для круглого днища,
закрепленного по краям:
Ра|1-^-.
3R,
Сплющивающее давление для цилиндрической трубки, длина которой
L S 20 р2:
3
°УР Et‘l
о
4m(l-ps)P2
Рис. 10. Пример расчета прочности сосудов (по Тимошенко).
8 — прогиб; ^Ро — эксцентриситет трубки; Е — модуль упругости; р— давление;
Рсгц — теоретическое сплющивающее давление; р—коэфициент Пуассона; 8ур—сопро-
тивление на пределе текучести материала.
Кинематика конструкций
Способы применения принципов кинематики для конструкции
и установки различных элементов прибора показаны на рис. И—23.
Согласно законам кинематики механизмов одно тело должно
соприкасаться с сопрягаемым с ним другим телом по крайней
мере в (6—п) точках, если оно имеет относительно этого тела п
степеней свободы (Л. XIV, 3, 6).
37*
579
На рис. 11 показан шар, удерживаемый силой тяжести в трех-
гранном углублении плиты. Центр тяжести шара относительно
плиты определяется тремя точками контакта. Для шара остаются
три степени свободы: вращения вокруг трех взаимно перпенди-
кулярных осей.
На рис. 12 показан другой пример из кинематики механиз-
мов — треножник с ножками, заканчивающимися шаровыми поверх-
ностями. Плита, на которой установлен треножник, снабжена
V-образной канавкой и трехгранным углублением. Одна из ножек
помещается в канавке, другая — в углублении, а третья опирается
на плоскую поверхность плиты. Когда одна из опор находится
в трехгранном углублении, тогда треножник в отношении пере-
мещения может рассматриваться как связанный тремя точками
касания между шаровой поверхностью опоры и сторонами трех-
гранного углубления. Когда же вторая опора располагается
в V-образной канавке, то налицо будут еще две точки касания
между шаровой поверхностью второй опоры и сторонами канавки.
Треножник теперь ограничен в своем перемещении в простран-
стве пятью точками касания и, следовательно, имеет только одну
степень свободы, а именно вращение вокруг оси, проходящей
через центры шаровых поверхностей этих опор. Окончательное
положение треножника будет определено при помещении третьей
ножки на плоскость, что дает шестую точку касания.
На рис. 13 изображен еще один способ установки треножника
всегда в единообразном положении относительно опорной плиты.
Здесь шаровые опоры треножника помещены в вырезанные
в плите радиальные канавки. Каждая опора имеет две точки каса-
ния с основной плитой, что в общем дает шесть точек касания.
Применение этих „кинематических" конструкций бывает не-
редко весьма полезно, например в тех случаях, когда основная
плита прикреплена к прибору, а треножник, с установленными
на нем элементами, приходится периодически снимать и вновь
ставить обратно точно в то же положение, в каковом он находился
до снятия с плиты. Способ установки треножника, показанный
на рис. 13, имеет то преимущество по сравнению со способом,
показанным на рис. 12, что центры стола и опорной плиты будут
сохранять в горизонтальных плоскостях постоянное положение,
не зависящее от разницы коэфициентов расширения материала
плиты и треножника.
На рис. 14 изображен способ обеспечения прибору одной сте-
пени свободы (т. е. перемещения) путем расположения двух ша-
ровых опор в V-образной канавке, а третьей —на плоской по-
верхности. Здесь имеются пять точек касания между плитой и
треножником.
Другие способы получения одной степени свободы при пяти
точках касания показаны на рис. 15 —19. Способ, показан-
ный на рис. 15 и 16, часто применяется для кареток пишущих
машин.
580
Рис. 11. Проектирование
шаровой опоры на трех точ-
ках.
Рис. 12. Опора на трех нож-
ках.
Рис. 13. Другой вид опоры
на трех ножках.
Рис. 14. Третий вид опоры
на трех ножках.
Рис. 15. Опора с одной сте-
пенью свободы.
Рис. 16. Другой вид опоры
с одной степенью свободы.
581
Рис. 17 и 18 не требуют особых пояснений. Из рис. 17 легко
усматривается, что сила тяжести плиты оказывает здесь само-
устанавливающее действие, благодаря чему и обеспечивается со-
хранение точек касания с опорами. На рис. 18 показан способ,
применяемый для вертикального перемещения трубки окуляра
микроскопа.
На рис. 19 изображена простая и легко изготовляемая кон-
струкция кинематического приспособления для перемещения
кромки ножа в приборе Фуко.
В большинстве приведенных здесь примеров конструкций
площадки опор крайне невелики и, следовательно, их износ бу-
дет практически довольно большой. Практически точки касания
часто увеличивают до линий касания, как это видно на рис. 20,
21, 22, или же точки касания могут быть расширены до пло-
щадей касания (рис. 24). Это безусловно необходимо для умень-
шения упругих деформаций при больших нагрузках.
Все же обычно отдают предпочтение более жестким кон-
струкциям, с небольшими площадями касания; это способствует
уменьшению износа опор, но увеличивает влияние их упругих
деформаций на точность установки.
На рис. 20 показан способ получения одной степени свободы
при установке на фокус визирной трубки микроскопа компара-
тора.
На рис. 21 изображена подставка, которую можно применять
в оптических приборах; например, при помощи этого приспособ-
ления оправа для линзы может перемещаться взад и вперед
вдоль горизонтального стержня, кроме того, ее можно закрепить
в любом положении.
На рис. 22 показан способ получения одной степени сво-
боды— вращения. Стержень может перемещаться вдоль оси,
конечно, при условии, что не будет каких-либо тормозящих эле-
ментов, например в виде неподвижного шара, касающегося конца
стержня.
На рис. 23 показано, каким образом контактному винту мо-
жет быть придана соответствующая геометрическая форма.
Конструирование приборов с соблюдением законов кинематики
механизмов обычно бывает проще, чем конструирование меха-
низмов без соблюдения их, что часто случается на практике.
Обычные типы конструкций, в которых для обеспечения
одной степени свободы применяют конуса, направляющие и
притертые цапфы, ведут либо к напряженному состоянию эле-
ментов конструкции, либо не обусловливают единообразия и
воспроизводимости в их ориентировке.
Принудительное движение частей достигается пятью точками
касания, большее число их будет излишним, как, например, из-
лишней является пятая ножка табуретки.
Хотя одна степень свободы перемещения и легко достигается
при соблюдении законов кинематики (рис. 14—21), все же хорошо
582
притертый конус обычного вида обеспечивает лучшие условия
сопряжения для получения одной степени свободы при враще-
нии, потому что он обеспечивает минимальную деформацию ма-
териала при значительных усилиях и большую прочность.
Рис. 17. Локатор с одной сте-
пенью свободы. Стрелкой ука-
заны полу шар иные фиксирую-
щие выступы.
Рис. 18. Крепление детали, дви-
жущейся прямолинейно.
1—'неподвижно закрепленная направ-
ляющая; 2 — одиночный шарик; 3 —
два шарика; 4—локатор; 5 — по одно-
му шарику.
Рис. 19. Другой вид детали,
движущейся прямолинейно с
помощью винта.
Рис. 20. Крепление тубуса
микроскопа.
1 — пружина.
Отличительные признаки кинематической конструкции пока-
заны наглядно на вышеприведенных рисунках, иллюстрирующих
одну степень свободы, т. е. перемещения, как, например, на
рис. 17. Хотя движение может быть и не прямолинейным, ввиду
583
Рис. 21. Закрепление детали
с одной степенью свободы.
Рис. 22. Вращение около
одной оси.
1—пружина; 2—стальной шарик;
3 — пружинящий локатор; 4 —
закрепляющий зажим,.
Рис. 23. Конструкция точного
микрометренного тангенциаль-
ного винта. Спиральный лока-
тор (отжимная пружина) обес-
печивает плотный контакт.
В улучшенной конструкции
имеется (с другой стороны
винта) плоскость, фиксирую-
щая ориентировку гайки отно-
сительно оси.
Рис. 24. Полукинематическая
конструкция опорной подстав-
ки для основания прибора с
четырьмя точками опоры.
Рис. 25. Крепление зеркала снабжен-
ного установочными винтами
1 — регулирогочные винты; 2 — держатель
(чашка) для зеркала; 3 — упругий упор.
584
несовершенства конструкции, все же имеется возможность на
основании определяемых специальными замерами ошибок при
расчетах и изготовлении предсказать степень отклонения от
прямизны.
В кинематических конструкциях часто применяют стальные
шарики. В США они имеются в продаже разгруппированными
по точности их сферической формы в пределах до 0,00005 дюйма
(1,25 и)- Имеются также прецизионные шарики, сферичность ко-
торых соответствует одной десятой доли вышеуказанного пре-
дела. 1
На рис. 25 изображена хорошая конструкция стойки для зер-
кала с четырьмя регулировочными винтами. Поскольку послед-
ние служат для облегчения точной установки, рекомендуется
применять их четыре, вместо трех, несмотря на то, что один из
них является, по сути дела, лишним и вызывает напряжения
и малые деформации в станине и самой стойке, на которой кре-
пится зеркало.
Установки, свободные от вибраций
Очень многие точные приборы и, в частности, гальванометры
высокой чувствительности, должны быть защищены от вибраций,
вызываемых движением автомобилей на улице, элеваторами
и установленными в подвальных помещениях машинами, а также
от вибраций, вызываемых другими источниками сотрясений,
всегда имеющимися в зданиях. В большинстве случаев вертикаль-
ные составляющие этих вибраций не приносят вреда и ими можно
пренебречь. Хотя влияние горизонтальных составляющих на
прибор, как, например, на гальванометр, незначительно, особенно
в том случае, когда движущиеся части динамически уравновешены
на подвесной нити, все же при выполнении особо точных
измерений необходимо устранение этих горизонтальных соста-
вляющих вибраций, поскольку это возможно, путем установки
прибора на свободные от вибраций подставки.
При конструировании такого рода подставок в основу могут
быть положены принципы конструкции сейсмографа, а потому
здесь в качестве руководящего материала следует использовать
литературу по сейсмографам. В общем свободные от вибраций
подставки можно рассматривать как колебательную систему,
1 Согласно ОСТ 8201 шарики, выпускаемые заводами Советского Союза,
изготавливаются диаметрами от 1 до 20 мм через кажпые 0,5 мм, от 20 до 28 мм
через каждые 1 мм и далее по нормальным диаметрам.
Шарики сортируют в группы с предельными отклонениями внутри группы
от 0,001о мм до 4: 0,006 мм (в зависимости от диаметра шарика). Но особому
соглашению заводы могут поставлять шарики, рассортированные на группы че-
рез каждые 0,002 мм с предельными отклонениями внутри группы 4z 0,001 мм
для шариков диаметром до 20 мм и рассортированные на группы через каждые
0,003 мм с предельными отклонениями внутри группы 4; 0,0015 мм для шариков
диаметром свыше 20 мм. Прим. ред.
585
свободно соединенную механическим путем со стеной, потолком
или полом помещения. Демпферное действие подставки опреде-
ляется в ней созданием условий для резонанса колебаний между
подставкой и стеной. Например, если собственный период коле-
баний подставки по сравнению с периодами вибраций стены
можно сделать значительно большим, то его следует подобрать
настолько далеким от резонанса, насколько мал должен быть
эффект возмущения.
Конечно, необходимо принимать меры для заглушения соб-
ственных колебаний подставки и для защиты ее от воздушных
течений.
Совершенно естественно, что нужно выбирать для установки
приборов наиболее надежно защищенное с точки зрения отсут-
ствия вибраций место.
Подставку лучше всего установить на отдельном, не связан-
ном с остальной частью здания, фундаменте.
Модернизированный Р. Мюллером подвес Юлиуса дает воз-
можность достигать затухания только горизонтальных колебаний
(Л. XIV, 2).
Упрощенный тип этой конструкции, с успехом применявшейся
автором, показан на рис. 19, главы VIII. Подставка нагружена
так, что период ее колебаний равняется примерно 2 сек. Заглу-
шение колебаний достигается внутренним трением масла, налитого
в плоские лотки. Для этой цели применяется легкое (жидкое)
масло, заполняющее лотки до уровня, установленного путем
наблюдений, когда будет достигнуто максимальное затухание
собственных колебаний системы. Преимущества этой подставки
по сравнению с подвесом конструкции Юлиуса заключаются
в том, что она может быть установлена на полке в углу помещения
и защищена колпаком от воздушных течений, между тем как подвес
Юлиуса должен прикрепляться к потолку или к специальному
кронштейну, вделанному в стену. Регулировка гальванометра
легче осуществляется при установке его на подставке, чем при
подвешивании по системе Юлиуса, так как крепление подвеса
представляет известные практические затруднения. Установка
подставки при регулировке гальванометра осуществляется отно-
сительно просто путем введения двух конусообразных шпилек
в показанные на рисунке отверстия.
Другой способ получения свободной от вибраций установки
заключается в помещении какой-либо большой массы, например
каменной плиты, на стопу газет. Здесь трением сдвига в отдель-
ных слоях стопы заглушаются горизонтальные колебания. На
практике применяется еще и такой метод демпфирования колеба-
ний, когда прибор устанавливается на стальных пружинах, об-
мотанных фрикционной лентой.
В иных случаях, для устранения вибраций, опорные плиты
приборов устанавливают на теннисных мячах или губчатой ре-
зине. Этот метод особенно полезен для уничтожения вибраций, воз-
585
пикающих от расположенных поблизости источников сотрясений,
как, например, от вакуум-насосов, вызывающих значительные
колебания стен и потолка здания, в котором эти насосы уста-
новлены.
Заглушение колебаний в этих случаях достигается за счет
внутреннего трения резиновых подкладок.1
1 Недостатком всех этих систем безвибрационных подставок является на-
личие только одной колебательной системы из одной массы н одной упругой связи,
которая представляет собой один каскад акустического фильтра. Можно добиться
значительно лучших результатов, если применить два или даже три каскада аку-
стических фильтров, соединенных последовательно и настроенных на разные
частоты, при наличии больших потерь в связи между ними. Примером этого
является подставка для электрометра, описанная в главе VI, где каскады филь-
тров образуются массами плоских пластин и слоями сукна Mt жду ними. Сукно
в нижних прослойках будет более сжато и потому более упруго, чем в верх-
них, что в достаточной мере обеспечивает расстройку каскадов. Прим. рео.
ГЛАВА XV
ФОРМОВКА И ОТЛИВКА1
Введение
Цель этой главы — познакомить читателя с общими прави-
лами процесса формовки и литья металлов. Так как приспособ-
лениями для отливки металлов оборудованы лишь немногие
лаборатории, то экспериментатору приходится нередко прибегать
к заказу отливок на стороне. В имеющихся же при лабораториях
литейных отливки производят, как правило, по имеющимся
моделям, по которым уже были ранее выполнены отливки дета-
лей приборов. Это с экономической точки зрения признается
наиболее выгодным, так как стоимость изготовления модели
обычно оказывается во много раз дороже стоимости самой отливки.
Чтобы разъяснить, как следует рационально конструировать
и изготовлять модели для новых деталей своими силами, ниже
приводятся некоторые практические указания по литейному делу.
Формовка по восковым моделям
Методы отливки металлов распадаются на два вида: 1) так
называемый „cire perdue" или „lost wax", что в дословном пере-
воде значит —потеря воска, и 2) литье в песок.
Первый способ заключается в следующем: восковую модель
заформовывают в песок или огнеупорную глину и, выплавляя
воск, создают полую форму для заполнения ее металлом. Этот
метод применяют в скульптурном и зубоврачебном деле для
литья золотых протезов. Практически он может применяться лишь
в производстве единичных предметов, не требующих воспроиз-
ведения, так как вполне очевидно, что по восковой модели может
быть изготовлена лишь одна деталь. Этим и объясняется термин
„потеря воска" („lost wax"). Этот метод удобен для изготовления
мелких деталей неправильной геометрической формы, в частности
1 Обработано Р. Хэйвордом.
588
для литья из золота, серебра или платины. Лабораторные работ-
ники избегают изготовления таких деталей из целого куска,
поскольку тщательное собирание отходов и стружки ценных,
дорогостоящих материалов сильно тормозит их исследователь-
скую работу.
Преимущество способа литья по восковой модели заключается
в том, что отливки могут иметь по сути дела любую слож-
ную конфигурацию. Основную проблему составляет устройство
литников и выпоров. При отливке полых скульптурных фигур
сердечник („шишка") обычно поддерживается в форме при помощи
связей из того же металла, из которого отливается фигура.
Применяемый для этого метода формовки воск изготовляют
из смеси пчелиного воска с парафином. Обычно такой воск имеется
в готовом виде на складах зубоврачебных принадлежностей; его
без особенного труда можно изготовить и собственными силами.
Сначала воск разогревают для придания ему эластичности, затем
руками производится грубая формовка и после этого модели
уже придается любым острым инструментом (рис. 1) окончатель-
ная форма.
В случае, если оказывается срезанным слишком большой ку-
сок воска, при помощи пинцета берут необходимое добавоч-
ное количество воска, подогревают его и наносят на соответ-
ствующее место. Пинцет гораздо удобнее металлического шпателя,
который иногда применяют для этой цели.
На рис. 1 показан способ изготовления оправки для намотки
спиралей из вольфрамовой проволоки. Эта деталь взята в качестве
примера именно потому, что здесь со всей убедительностью ста-
новится ясным, насколько прост процесс изготовления литой
оправки с двухзаходной спиралью при формовке ее по восковой
модели. Что же касается изготовления такой оправки на токар-
ном станке, то практически это представляется делом далеки
не простым.
Формовку мелких моделей производят обычно на кончикха
небольших стержней. Удаление моделей со стержня выполняют
следующим образом: кусок горячего металла прикладывают
к стержню и держат его в этом положении до тех пор, пока
стержень не нагреется и находящийся на его конце воск не на-
чнет плавиться, после чего модель легко снимается со стержня.
Известную пользу здесь может принести паяльник, подогревае.
мый проволокой, накаливаемой электрическим током, подобный
тому, который был описан в главе, посвященной технологии
кварцевых нитей.
По окончании изготовления модели ее надевают на конец
конусообразного металлического стержня, чтобы поддерживать
модель во время изготовления формы. Стержень при удалении
его из формы оставляет за собой канал, служащий литником.
На рис. 1 показан способ изготовления модели непосредственно
на конусообразном стержне, при помощи которого образуется
580
литник. Так как воск сам по себе недостаточно прочен, чтобы
выдержать навивку проволоки для образования резьбы, то стер-
жень, как показано на рисунке, должен доходить до самого конца
модели — способ, конечно, характерный только для данного при-
мера формовки.
В тех случаях, когда изделие должно быть отлито из свинца,
типографского металла, баббита, олова (и его сплавов), припоя или
Рис. 1. Отливка по восковой модели.
I—изготовление модели.
1 — стержень, на котором изготовляется модель; 2 — воск rpi бо обжимается
вальцами; 3—модели придается желательная форма; 4 — на модель нави-
вается мягкая алюминиевая или медная прочолока диаметром равным
диаметру вольфрамовой проволоки, наматываемой на готовую оправк ;
5 — наматывание закончено; 6—подогретые щипчики для нанесения
кусочков воска; 7 — проволока удалена; 8 — воск наносится на мод°ль
для образования прилива; 9 — прилив срезается для придания ему необхо-
димой формы; 10 — модель в готовом виде.
из других подобных легкоплавких сплавов, то форму можно изго-
товлять из гипса. Если же изделие должно быть отлито из золота,
серебра, меди, латуни или других металлов с более высокой тем-
пературой плавления, рекомендуется пользоваться специальным
материалом, применяемым в зубоврачебной технике для форм,
обычно имеющихся на складах в готовом виде. Этот материал
разводят в небольшом количестве воды; схватывание происходит
примерно через минуту. Способ самого приготовления формовоч-
ной массы из этого вещества показан на рис. 2; он аналогичен
приготовлению гипсовой формы и сводится к следующему. В чашку
наливают немного воды, затем рукой быстро насыпают порошок,
пока уровень насыпанного гипса, осаждающегося на дне чашки,
590
не достигнет поверхности воды. К перемешиванию следует при-
ступить только тогда, когда будет засыпан весь необходимый
для образования массы гипс. Если горка насыпанного гипса будет
выступать над уровнем воды, то необходимо выждать, пока он не
пропитается водой, и затем уже слегка перемешать содержимое
чашки для удаления образовавшихся внутри пузырей. Стержень,,
на котором насажена модель, надлежит слегка смазать маслом,
чтобы к нему не пристала гипсовая форма. Перед формовкой
на наружную поверхность модели мягкой кисточкой наносят жид-
кий гипсовый раствор (рис. 3), после чего модель немедленно
опускают в оболочку (футляр) для формы и в ней заливают
жидким гипсом. При этом модель поддерживают за конец стержня,
зажатый в штативе, до тех пор, пока не произойдет схватывания
гипса (рис. 4). Оболочку для формы лучше всего изготовлять иа
Рис. 2. Правильный спо-
соб приготовления гип-
сового раствора.
1— в чашку наливают необ-
ходимое количество воды;
2 — гипс или другой порош-
кообразный материал насы-
пают, растирая его пальцами;
3 — смесь не трогают, пока эта
маленькая кучка не пропи-
тается водой; 4 — смесь пере-
мешивают осторожно, захва-
тывая ее со дна для удаления
пузырей; 5 — смесь, готовая
к употреблению.
стальной (или чугунной) трубы. Вполне пригодным для этой цели
явится отрезок трубы, подрезанной по нижнему своему торцу
на токарном станке. Зубные техники пользуются для этой цели
широким металлическим кольцом конусообразной формы с углом
в 5—10°, при чем суженный конец является низом. Конусность
оболочки формы необходима для того, чтобы предотвратить выпа-
дение формы, когда она будет наполняться металлом. Это станет
вполне ясным из описания процесса заливки металла, помещен-
ного в одном из следующих параграфов этой главы.
Сразу же после „схватывания" содержимого формы поддер-
живающий стержень вынимают и вокруг отверстия (литника)
расчищают небольшую воронку для заливки металла (рис. 5).
Необходимо обратить внимание на тщательное удаление всех
попавших в литниковый канал кусочков материала формы. Затем
застывшую форму помещают на кольцевой кронштейн штатива
и подогревают бунзеновской горелкой. Нагрев должен продол-
жаться до красного каления формы, что необходимо для надеж-
ного удаления последних следов воска и влаги (рис- 6).
В таком виде форму следует считать готовой для заливки
591
металла. Задача теперь состоит только в том, чтобы заставить
металл заполнить форму. При небольших литниковых каналах
и небольших массах металла поверхностные натяжения могут
Рис. 3. Огливка по во-
сковой модели.
II — подготовка модели дтя
формовки.
1 — стержень покрывают тон-
ким слоем масла; 2 — воско-
вую модель быстрым движе-
нием покрывают ранее приго-
товленным раствором гипса.
Рис. 4. Отливка по восковой
модели.
ill — изготовление формы.
Модель подвешивают в штативе и за-
бивают остальную часть раствора.
Рис. 6. Отливка по во-
сковой модели.
V—выплавление воска.
Модель нагревают для про-
сушки и выплавки воска;
после этого форма готова для
заливки металлом.
Рис. 5. Отливка по во-
сковой модели.
IV— изготовление литника.
1 — стержень нагревают и
уваляют из формы; 2—вокруг
отверстия делают воронку.
задержать процесс течения металла. Препятствием к заполнению
формы металлом будут служить также образовавшиеся в ней
воздушные мешки. Зубные техники удаляют воздух из формы
592
при помощи откачивания его. Форму ставят пористым дном
на металлический диск с отверстием в середине, соединенным
посредством трубки с небольшим резервуаром. Трубка эта снаб-
жается запорным краном, который остается закрытым до тех пор,
пока нужная порция металла не будет расплавлена в литнике
формы. К резервуару присоединен небольшой ручной насос для
понижения давления воздуха примерно до */2—1/4 ат. Форму, поме-
щенную на диск, обогревают, и металл в углублении над литни-
ком в верхней части формы расплавляют при помощи газовой
горелки или паяльной лампы. Когда металл полностью распла-
вится, открывают кран, содержащийся в форме воздух высасы-
вается благодаря пористости материала формы, и жидкий металл
в этот момент заполняет форму.
Рис. 7. Отливка по восковой модели.
VI—вакуумный метод наполнения формы.
1 — ручная горелка для расплавления металла; 2 — кусочки металла
плавятся над литником; 3 — зажнм открывают, когда металл расплавлен и
засасывают его; 4—железный футляр с формой; 5 —клапан; 6—велоси-
педный насос с кожаным поршнем с обратным клапаном для отсасывания
воздуха из резервуара; 7—резервуар с разреженным воздухом.
Конечно, воздух просачивается и снаружи, но это не имеет
значения, поскольку преследуется цель создания лишь небольшого
вакуума в форме хотя бы на несколько секунд. Этот метод дает
практически самые лучшие отливки.
На рис. 7 показано устройство, описанное выше, которое легко
собрать, если воспользоваться велосипедным насосом и небольшим
количеством обычных лабораторных принадлежностей (насос дол-
жен отсасывать, а не нагнетать).
Другой метод заключается в нагнетании металла в форму при
помощи водяного пара. Металл, как в предыдущем способе, рас-
плавляют в верхней части формы. Как только форма прогреется
и металл расплавится, на верхнюю часть формы накладывают
большой кусок сырой глины и придерживают ее в таком поло-
жении, сильно нажимая рукой. Образующиеся при этом водяные
38 Стронг
593
пары загонят расплавленный металл в литниковый капал. Приме-
няя этот метод, форму следует ставить на перфорированную пла-
стину, чтобы дать возможность воздуху, находящемуся в форме»
выйти из нее сквозь поры со стороны дна (рис. 8).
В практике иногда находит себе применение и центробежный
способ заливки металла в форму, осуществляемый с помощью
простого приспособления, состоящего из бруска, насаженного на
ось для вращения в горизонтальной плоскости. Вращение осу-
ществляется при помощи сильной пружины. Во время расплав-
ления металла в литнике и обогревания формы простое стопорное
устройство удерживает брусок неподвижным.
Рис. 8. Отливка по
восковой модели.
VII — наполнение фор-
мы металлом давле-
нием пара.
I —ручная горелка для
расплавления металл.:;
2 — форма в металли-
ческой оболочке; 3 —
банка с сырой гли-
ной; 4 — проволочная
сетка для выхода га-
зов; 5 — когда металл
полностью расплавит-
ся, банку с глиной
быстро накладывают
на форму. Давление
образовавшегося пэра
загоняет металл в фор-
му.
Форму с литниковым каналом, обращенным к оси вращения, поме-
щают боком на конце бруска в особом держателе. Резервуаром
для плавления металла служит небольшое корытце, изготовлен-
ное или из огнеупорного кирпича или какого-либо другого под-
ходящего материала. Корытце устанавливают на бруске таким
образом, чтобы его конец соприкасался с литниковым каналом
формы. Вся операция отливки сводится к следующему: закручи-
вают пружину, закладывают форму в держатель, а металл — в ко-
рытце; затем при помощи ручной горелки металл расплавляют.
Когда металл расплавится, выдергивают защелку стопора; весь
брус начинает вращаться на оси, а металл затекает под действием
центробежной силы в форму. При этом методе днище формы
должно быть особо прочным, ибо в противном случае оно может
не выдержать напора расплавленного металла, и последний будет
разбрызган по всему помещению. Этот метод нередко применяется
ювелирами и зубными техниками. На рис. 9 показана вся центро-
бежная установка для осуществления описанного выше процесса..
Для отливки детали, изображенной на рис. 1, рекомендовать этот
метод нельзя, поскольку верхняя часть формы едва ли будет
достаточно широка для вмещения необходимого количества
металла.
594
При любом из описанных выше способов отливки золота,
серебра, меди, латуни и т. п. металл следует основательно посы-
пать бурою во время расплавления. Этим предотвращается окис-
ление поверхности металла. Из этих же соображений олово, баб-
бит, припой и т. п. должны посыпаться мелкорастолченным дре-
весным углем.
Модели для отливки в землю
Рис. 9. Отливка по
восковой модели.
VIII — центробежный
способ отливки:
1 — форма; 2— защелка,
управляемая педалью;
3 — ручная горелка
для расплавления ме-
талла; 4 — тигель из
огнеупорного кирпича;
5 — пружина для вра-
щения всего приспо-
собления; 6 —подшип-
ник из велосипедной
втулки; 7 — противо-
вес (ящик с металли-
ческими отходами).
Отливка в землю по постоянным металлическим или деревян-
ным моделям представляет собою тот метод, который обычно
применяют для изготовления всевозможных деталей машин неза-
висимо от их размера и металла. Иным, существенно важным
способом, кроме указанного выше, является отливка под давле-
нием в металлические (стальные) формы, но применение этого
способа ограничено изготовлением деталей, выпускаемых на рынок
в большом количестве, когда высокая стоимость металлических
форм не имеет существенного значения. Приступая к изготовле-
нию модели для отливки в землю, сначала составляют точный
чертеж самого подлежащего изготовлению изделия (рис. 10). По
этому чертежу составляется второй (рис. 11), несколько изменен-
ный чертеж модели. Этот чертеж может быть сделан на тонкой
бумаге или кальке. Для удобства изготовления этот чертеж ре-
комендуется изготовлять отчасти путем копировки чертежа изде-
лия с соответствующими изменениями.
В качестве примера отливки в землю нами взят корпус стойки
полярной оси телескопа с двумя баббитовыми подшипниками.
При такой конструкции отпадает надобность в проточке всей
оси и расточке отверстий корпуса по всей их длине на точный
размер, т. е. работа, которая может быть выполнена только на
крупных и точных токарных станках. На рис. 10 и 12 показаны
чертежи деталей стойки, а на рис. 24 — весь механизм полярной
оси.
Приступая к проектированию модели, прежде всего опреде-
ляют положение плоскости разъема формы. Эта плоскость должна
38*
595-
Рис. 10- Отливка в землю.
I — рассмотрение точного чертежа изделия.
Изготовление стойки полярной оси небольшого телескопа. Вид
спереди, вид сзади, вид спела и вид сверху.
Г—плоскость разъема; 2— эти гнезда служат для крепления баббито-
вых^ заливок; 3 —для получения этой полости необходима шишка;
4—^для отливки этого выступа необходима ложная шншка.
Рис. 11. Отливка в землю.
II — чертеж с припусками (см. рис. 10).
1—шишка отмечена пунктиром; 2— знаки для установки шишки; 3 — ложная
мишка; 4—припуск для образования уклона с двух сторон; 5 —уклона нет;
6 — установочные шпильки.
проходить через изделие таким образом, чтобы обе части модели
можно было бы свободно извлечь из земляной формы. Плоскость
разъема должна пересекать изделие так, чтобы нормальные проек-
ции всех точек изделия принадлежали этой плоскости и чтобы
проектирующие лучи не пересекали контура изделия. Все литей-
ные уклоны модели делаются по отношению к этой плоскости.
Если нельзя подобрать одной отвечающей этим требованиям
плоскости разъема, то необходимо выбрать такую плоскость,
которая бы наиболее полно отвечала поставленным условиям,
и для выполнения отдельных частей формы пользоваться шишками.
В случае, когда плоскость разъема совпадет с одной из плос-
костей изделия, модель будет состоять из одной части (рис. 12).
Рис. 12. Отливка в землю.
III — чертеж крышки для стойки полярной осп.
1 —вид сбоку; 2— вид с торца; 3 — вид снизу. Если
плоскость разъема проходит через А — А, то мо-
дель будет состоять из одной части. Углубление
образуется либо при помощи ложной или обычной
шишки. Если плоскость разъема проходит через
В — В, то модель будет состоять из двух половин.
Форма шишки остается прежней.
Так как в большинстве случаев применяют модели, состоящие
из двух половин, то здесь мы ограничимся описанием метода
проектирования подобной модели. Это, конечно, не значит, что
практически количество отдельных частей модели ограничивается
двумя, но модели, состоящие более чем из двух частей, приме-
няют относительно рёдко, а поэтому нет надобности их здесь
рассматривать, и читателю можно рекомендовать обратиться
по этому вопросу к пособиям, излагающим технику промышлен-
ной отливки.
Так как изделие с параллельными стенками не может быть
вынуто из земляной формы без трения, вызывающего разрушение
формы, то стенкам модели всегда придается слегка наклонная
форма. Наклон этот для мелких изделий составляет величину
порядка 0,5°, хотя в большинстве случаев наклон в 3° считается
правильным. Для круглых изделий, когда плоскость разъема
проходит через ось, не требуется конусности модели. В тех
случаях, когда в силу особых требований к изделию конусность
недопустима, т. е. когда поверхность изделия должна быть
выполнена под прямым углом к плоскости разъема, на всех
противоположных поверхностях модели наклон должен быть
Удвоен (рис. 11).
В тех случаях, когда на одной из частей модели имеется выступ,
расположенный ниже плоскости разъема, между ними должна быть
предусмотрена съемная часть формы, которая может быть удалена
после изготовления половины формы для извлечения модели.
Этой части формы дается название „ложного стержня" (или „лож-
ной шишки"). Занимаемый ложной шишкой объем в этой поло-
597
вине формы восполняется одинаковым ооъемом земли в другой
половине. Ложная шишка должна обязательно иметь конусность.
Из дальнейшего описания процесса изготовления формы видно,
что ложные шишки можно применять только в одной части
формы, т. е. в той, в которой заформовывается половина модели,
снабженная отверстиями для шпилек, служащих для правильного
соединения обеих частей модели.
Так как эта часть формы изготовляется первой, то необходимо,
чтобы модель имела ровную, без выступов плоскость, по которой
она устанавливалась бы на стол (и на подмодельную доску).
Если же требуется установка таких шишек и в другой половине
формы, то они не могут уже рассматриваться как ложные.1
Шишки изготовляют в так называемом шишельном или стерж-
невом ящике, как это описывается ниже в настоящей главе.
Если изделия имеют сквозные отверстия, то в тех местах, где
отверстие должно пересекать внешний контур модели, делают
выступы, которые образуют в форме гнезда для установки шишки
или стержня. Благодаря этому предотвращается всплывание шишки
при заливке в форму расплавленного металла. Выступам (так
называемым „знакам") придается конусный вид, чем достигается
точная ориентировка шишки по отношению к остальной части
формы. Для шишек, помещаемых в гнезда формы, должны быть
изготовлены специальные чертежи (рис. 18).
Шишки представляют собою отдельную деталь, изготовляе-
мую из земли или формовочного материала; их вставляют в форму,
как уже указывалось, для образования отверстия или выемки
в готовой отливке. В тех случаях, когда шишка выходит только
с одного конца к поверхности формы, знак модели для креп-
ления шишки должен быть достаточной длины, чтобы он мог
служить надежной опорой для консольной шишки. Если такое
крепление шишки окажется ненадежным, то ее снабжают допол-
нительным отверстием, упирающимся в одну из внутренних
поверхностей формы (или удлиняют шишку, как для сквозного
отверстия). Благодаря этому в отлитой детали получится допол-
нительное отверстие, которое необходимо в дальнейшем заделать.
Существует еще способ установки шишки, при котором по-
следняя поддерживается металлическими шпильками с широкой
головкой и крючкообразным стержнем (так называемыми „жеребей-
ками"), вдавливаемыми в землю во время формовки. Они свари-
ваются с металлом отливки. Необходимо иметь в виду, что шишки
крепятся в форме не только с целью предотвращения их падения
под действием силы тяжести в пустую форму, но и с целью
1В понятии о ложных шишках в том виде, как оно трактуется автором,
вряд ли имеет практическое значение подразделение шишек на „ложные“
и „неложные". Последнее название присуще, как правило, шишкам, которые
служат для образования отверстия, углублений, выемок и т. п. конфигураций
в литье и которые практически не могут быть выполнены без наличия разборных
частей формы. Прим. ред.
598
предотвращения всплывания их в жидком металле при заливке
формы. Так как почти все металлы при застывании дают усадку,
размеры моделей должны быть соответственно увеличены.
Величина усадки зависит от сорта металла.
В табл. 1 приводятся данные о величине усадки.
Таблица 1
Величина усадки металлов при отливке1
на один фут, или на 300 миллиметров
Мета л л У с а д к а
в дюймах в мм
Алюминий Алюминиевые сплавы Алюминиевая бронза Латунь Британский металл - Бронза Сталь углеродистая Чугун серый ‘ „ белый Медь Магниевый сплав Пушечная бронза Свинец Ковкий чугун Марганцовистая бронза ... • . • Никелевая сталь Фосфористая бронза Сталь Олово Ванадиевая сталь 3'16 5’32 14 3 16 1/32 3/16 3'16-=- 1/4 1/10 4- 5/32 1/4 3/16 5/324-3,16 1/8ч-3/16 5,.16 18 13 1/4 1'8 4-3/16 1/4 1/12 1.4 4,76 4,00 6,35 4,76 0,80 4,76 4,76 4- 6,35 2,54 4-4,00 6,35 4,76 4,004-4,76 3,184-4,76 7,94 3,18 6,35 6,35 3,184 4,76 6,35 2.10 6.35
Указанные в табл. 1 величины усадки отнесены к одному
футу (300 мм) линейных величин отливаемых изделий. В про-
даже имеются линейки для определения припусков на усадку,
градуированные как обыкновенные отсчетные приборы.
В случае серийной отливки изделий рекомендуется отлить
сначала по изготовленной деревянной модели модель из алюминия
или какого-либо другого легкоплавкого металла и уже по этой ме-
таллической модели изготовлять формы. В таких случаях в этой
первоначальной деревянной модели должен быть предусмотрен
припуск на усадку обоих металлов (металлической модели и из-
делия).
1 Величина усадки зависит от размеров отл ibkh и в практике пользуются
чаще всего не абсолютными величинами усадки, а выражают ее в °,о. Так,
Для чугуна величина усадки принимается в среднем от 0,7 до 0,9° с, для стали 2%,
для бронзы 1,5—1,75%, алюминия 1,8%. Прим. ред.
2 Сплав из олова, сурьмы и меди. Прим. ред.
599
Для повторных отливок, изготовляемых по заказу, лучше
пользоваться металлическими моделями, так как в промышленных
литейных иногда с моделями обращаются довольно небрежно.
Кроме того, по основной деревянной модели можно изготовить
несколько металлических моделей, которые позволят производить
одновременную многократную формовку, что даст снижение
себестоимости производства.
Скорость затвердевания металла является функцией толщины
отливки. Так как усадки в основном происходят в момент за-
твердевания металла, то, очевидно, что неравномерность толщины
стенок в одной и той же отливке вызовет деформацию и коро-
бление последней. Поэтому литые детали проектируют так, чтобы
они имели во всех местах, по возможности, одинаковую толщину.
Перекос небольших выступов на крупных отливках может и не
иметь особого практического значения, поскольку он будет ком-
пенсирован большой массой металла.
Тем не менее проектировать литую деталь нужно весьма
тщательно, чтобы обеспечить повсеместное равномерное распре-
деление металла. Усадка металлов при их затвердевании не про-
исходит вполне равномерно по мере спадания температуры. Так,
например, белый чугун сначала в течение некоторого времени
дает усадку, затем немного расширяется и после этого опять
продолжает уменьшаться в объеме. Серый чугун расширяется
дважды, а фосфористое железо трижды. Таким образом, в отливках
неравномерной толщины в одной части может происходить
усадка, а в другой — расширение, и в результате получаются
напряжения в отливке. Могут иметь место и случаи разрыва
отливок от внутренних напряжений. Штурвальные колеса,
применяемые на товарных вагонах для управления тормозами,
изготовляют со спиральными спицами, так как неравномерное
охлаждение толстой ступицы и тонкого обода вызывает напря-
жения в спицах, что могло бы привести к разрыву спиц, если
бы они были прямыми.
Чистые металлы, как, например, алюминий; медь, олово и цинк,
можно отливать почти на любую толщину, иначе обстоит дело
со сплавами, где разница между температурами плавления вхо-
дящих в сплав компонентов достаточно велика.
При медленном охлаждении сплавы дают в результате засты-
вания крупнозернистую структуру. Наиболее подходящая тол-
щина стенок для отливок из разных литейных сплавов —3/i6-^-5/16
дюймов (5н-8 мм). Даже толщину в 7g дюйма (~3 мм) нельзя еще
считать слишком малой. Как правило, все металлы, чистые или
легированные, должны отливаться такой толщины, чтобы металл
успел заполнить все части формы до застывания. Однако от
этого положения можно отступать, так как опытный литейщик
знает, как расположить литники так, чтобы при любой толщине
отливки все части формы были заполнены расплавленным металлом
одновременно.
600
Деревянные модели обычно делают из лиственницы, вейму-
товой сосны, сахарной сосны или даже из красного дерева.1
Дерево должно быть чистое и хорошо выдержанное. Если
модели изготовляют из двух частей (не считая ложной шишки),,
то они должны быть скреплены таким образом, чтобы их можно
было бы разъединять и снова собирать. При изготовлении модели
прежде всего следует изготовить ту часть, которая снабжается
шпильками. Для этого можно применять установочные или спе-
циальные шпильки с гнездами, имеющимися в продаже на скла-
дах скобяных изделий (рис. 13 и 14).
В общем техника изготовления деревянных моделей бази-
руется на обычной плотничной и столярной практике, только раз-
меры должны быть выдержаны более точно. Где это только
оказывается необходимым, отдельные части могут быть склеены;
одним словом, допустимы все способы обработки, лишь бы
в результате получилась требуемая форма модели. Наружные
поверхности модели должны быть тщательно заглажены. Всякие
шероховатости или неровности поверхности модели, в частности
в области конусности, вызовут необходимость сильного раско-
лачивания и расшатывания модели при вынимании ее из формы,
в результате чего получается увеличение размеров последней и,,
следовательно, и самой отливки.
Каждая часть модели, включая и ложные шишки, должна
быть снабжена металлической пластинкой, прикрепляемой запод-
лицо с поверхностью разъема (рис. 15). Эти пластинки могут
быть приобретены на складе скобяных изделий. В пластинках
просверлены отверстия для расколачивания и для удаления мо-
дели из формы при помощи винта или крючка.
Практика показала, что острые кромки, а также внутренние
и острые углы являются обычной причиной брака литья. Острые
края формы легко выкрашиваются, а внутренние напряжения
в металле приводят к разрушению отливки. Для избежания этого
на практике резкие переходы отливки закругляются и образуют
так называемые галтели. Галтели могут быть выполнены из ма-
териала самой модели, но практически их проще сделать из
обычного воска. В продаже можно встретить восковые нити или
ленты различных профилей, намотанные на катушку. До нане-
сения воска модель необходимо покрыть шеллаком. Нарезанная
на необходимую длину восковая лента вмазывается подогретым
стержнем с шаровой головкой (рис. 16). Такой инструмент мо-
жет быть изготовлен своими силами. По окончании операции
закругления углов, вся модель снова покрывается шеллаком.
В моделях, которые предназначаются для однократной отливки
детали, закругленные углы могут быть сделаны из пластилина.
1 У нас в СССР на изготовление мотелей идет преимущественно сосна, береза
и лила. Для небольших моделей применяется ольха. Если модель должна быть
снабжена резьбой, то рекомендуется брать орех, грушу или яблоню. Прим. ред.
601
Рис. 13. Отливка в землю.
IV — способ применения деревянных шпилек для ориентировки п креп-
ления обеих половин модели.
1 — просверлить отверстие сквозь одну половинку с засверлнванием вто-
рой; 2 — смазать клеем только верхнюю часть шпильки; 3 — шпилька в го-
товом виде; 4 — для предотвращения смещения половинок модели при
забивании шпилек и обработке модели применяются гофрированные за-
жимы.
Рис. 14. Отливка в землю.
V— способ применения патентованных шпилек.
1 — просверлить отверстие для гнезд; 2 — предварительно наметить место
отверстия кернером; 3 — специальным метчиком нарезать винтовый ход
в гнезде; 4 — в гнезда вставить временные стальные пробки с острием; 5_
ввинтить шпильки другим концом специального метчика; 6 — поставить вто-
рую половину модели на пробки с острием и слегка ударить молотком; 7___
латунная шпилька; 8—временная стальная пробка с острием; 9 — латунное
гнездо; 10 — квадратное отверстие ддя вставления торцевого метчика в осно-
вание гнезда.
Этот материал довольно хорошо пристает к модели, покрытой
шеллаком; закругленный угол может быть получен либо просто
формовкой пальцами, либо деревянной палочкой для модели-
рования. Затем эти места вновь покрывают шеллаком. Для круп-
ных изделий применя-
ют кожаные заполне-
ния для углов. Их
приклеивают непосред-
ственно к деревянной
модели и затем проти-
рают шкуркой и по-
крывают шеллаком.
Модели, не имеющие
шишек, покрывают
шеллаком полностью,
Рис. 15. Отливка в землю.
V!— металлические пластинки для вынимания модели.
1 — винт для удаления модели из формы; 2—пластинка
для ввинчивания; 3—металлическая пластинка поме-
щается вровень с плоскостью разъема каждой из
половинок модели. Отверстие для подъемного винта
должно находиться примерно над центром тяжести модели;
4 — отверстие для подъемного винта; 5 — формы металли-
ческих пластинок для вынимания модели. Форма пластинки
должна давать возможность производить зенкование отвер-
стий сверлами. Два отверстия предназначены для подьем-
ного пиита и рычага.
при наличии же ши-
шек знаки покрывают
чистым шеллаком или
окрашивают в красный
цвет, а остальную
часть модели покры-
вают шеллаком с са-
жей.1
Обычно для полу-
чения совершенно черной массы шеллак и сажу перемешивают.
Затем эту смесь разжижают спиртом. Различная окраска модели
и знаков делается для того, чтобы
формовщику по цвету легче опреде-
лить местоположение шишки (рис. 17).
Когда для отливки изделия необ-
ходимо применять шишки, то прежде
всего приступают к изготовлению
шишельных ящиков. Это, по сути
дела, деревянные формы, в которых
производится формовка шишек. Тре-
бования относительно конусности и
усадки те же, что и для модели.
Если для изготовления шишки необ-
Рис. 16. Отливка в землю.
VII — способ заполнения переходов
(двугранных углов) модели воском.
I — нагретый стальной стержень; 2 —
ложная шишка; 3 — навощенная нить;
4 — профиль иитп.
дима модель из двух половинок, как,
например, для отливки деталей ци-
линдрической формы, то плоскость
разъема шишки не связана с п.то-
1 У нас в СССР общеупотребителен несколько иной способ окраски моде-
лей. Модели для чугунного литья, как правило, окрашивают в красный цвет,
а знаки покрывают черной краской. Для стального литья модели окрашивают
в синий, а дтя медного —в желтый цвета. Прим. ред.
603
скостью разъема основной модели. Крепления шпильками обеих
половин шишельного ящика не требуется, так как обе половины
шишки изготовляют отдельно и после просушки складывают
вместе (рис. 18). Если обе половины шишек имеют одинаковую
Рис. 17. Отливка в землю.
VIII — готовая модель.
1 — поверхность шишки покрывается
шеллаком; 2 — модель покрывается
чистым шеллаком и сажей.
Рис. 18. Отливка в землю.
IX — чертеж стержня (шишки).
1 — шишка сверху; 2 — вид с тор-
ца; 3 — вид сбоку.
Рнс. 19. Огливка в землю.
X — шишельные ящики.
форму, то ящик изготовляют только для одной из половин. Для
простых цилиндрических стержней чаще всего нет надобности
изготовлять ящики, так как большинство литейных имеет на
складе запас шишельных ящиков разных размеров и даже
готовые шишки. Обычно шишельные ящики изготовляют из
одного сплошного куска дерева и часто
их изготовление сложнее, чем самой
модели.1
На рис. 19 видно, что шишка состоит
из двух частей, поскольку конфигурация
формы отливаемой детали должна быть
.конусной. Если бы модель не имела
на своей верхней поверхности конус-
ности, шишку можно было бы изгото-
вить из одного куска.
Шишельные ящики изготовляют из
сахарной сосны (sugar pine) или любого другого чистого и легко
поддающегося обработке дерева. Так как на модели видны
только концы шишек (знаки), а шишки бывают несимметрич-
ными по длине, то весьма важно, чтобы концы шишки отлича-
’ В практике литейного дела применяют самые разнообразные варианты
конструкций шишельных ящиков, но тем не менее ящики, состоящие из двух
половинок, ориентируемые относительно друг друга обычными шпильками, как
это указано выше при описании конструкции основных моделей, являются наи-
более часто применяемым на практике способом. Изготовление шишек из двух
в дальнейшем склеиваемых половинок применяется главным образом тогда, когда
шишка имеет сложную форму, не относящуюся к категории тел вращения.
Прим. ред.
604
лись друг от друга, так как это облегчает формовщику ориен-
тирование в их расположении,
В течение нескольких лет на практике находит себе примене-
ние интересный способ изготовления ящиков для цилиндрических
шишек. Применяется специальный рубанок, режущая грань ко-
торого состоит из двух плоских пластин, расположенных под
углом в 90° друг к другу. Режущая грань железки рубанка вы-
ступает за эти поверхности и соответственно им заточена. На
подлежащем обработке куске дерева проводят две параллельные
линии, которые имеют назначение ограничить боковые переме-
Рис. 20. Рубанок для изготовления шишельного ящика.
1 — рубанок для изготовления шишельного ящика; 2 — боковые пластины
рубанка для прострожки выемок диаметром до 250 мм; 3 — вид полукруг-
лой цилиндрической выемки.При снятии рубанком материала между линия-
ми (см. рнс.) получается полукруглая выемка.
щения рубанка при строжке. Во время работы рубанок накло-
няют то в ту, то в другую сторону. Прямой угол пластин ру-
банка дает возможность автоматически воспроизводить полу-
круглую поверхность (рис. 20/ Кроме того, этот же рубанок мо-
жет служить и для образования конических вогнутых форм.
Процесс формовки и отливки
Форму для отливки в землю надо изготовлять следующим
образом: сначала формовщик разъединяет модель и одну из по-
ловинок, имеющую отверстия под соединительные шпильки, кла-
дет на стол с обращенной книзу плоскостью разъема и затем
приступает к укладыванию ложных стержней. Вокруг этой по-
ловинки модели формовщик ставит деревянную или металличе-
скую раму, называемую нижней опокой. Нижняя и верхняя опоки
вместе составляют опочную пару и являются внешней оболочкой
земляной формы.
Нижняя и верхняя опоки представляют собой открытые пря-
моугольные ящики без крышки и дна. Они снабжены попереч-
ными связями для удерживания земли. С торца нижняя опока
605
Рис. 21. Отливка в землю.
XI — наполнение формы землей.
а) — наполнение нижней опоки: 1—земля просеивается сквозь ситз; 2—'нижняя
опока; 3—половина модели с гнездами и ложной шишкой; 4 — установка,планок
и гнезд для шипов; 5—верхняя опока; 6—шипы; 7 — верхний край верхней опоки.
Ъ) — опока, заполненная до поювнны, тщательно утрамбовывается.
с) — опока, заполненная до конца, протыкается проволокой для получения ряда
отверстий.
(I)— удаление ложной шишки и накладывание опокн: 1 — в отверстие пластинки на
ложной шишке вставляется крючок и шишка слегка расшатывается; 2 — вид нижней
опоки сверху.
е)— подъемный винт ввинчивают в ложную шишку и осторожно ее вытаскивают:
1 — подъемный винт с вынутой шишкой; 2 — нижняя опока.
2
Рис. 21. Отливка в землю.
J) — засыпание сухим песком плоскости разъема: 1 — нижняя олока; 2— способ
равномерного рассеивания песка.
g) — накладывание верхней опоки: 1 — верхний край верхней опоки; 2 — нижняя
опока; <3—утрамбовывание земли в верхней опоке.
h) — прокалывание отверстий в верхней опоке: 1—нижняя опока; 2— верхний опока.
i)—устройство литника: 1 — нижняя опока; 2— верхняя опока; 3 — тонкостен-
ная латунная трубка с острым краем служит для вынимания столбика земли из
канала литника.
к)— устройство воронки и корытца литника: 1 — воронка литника вырезывается
острым краем металлической Согнутой пластинки; 2— верхняя опока; 3 —
нижняя опока.
I)— окончание заполнения опок: 1 — нижняя опока; 2—верхняя опока; 3—ко-
рытце литника; 4 — края закругляются и теперь мэжю разнять обе опоки.
Рис. 21. Отливка в землю.
tn) — после снятия верхней опоки в модель, оставшуюся в нижней опоке, завинчивают подъем-
ный винт.
п) — вынимание модели.
с) — прорезание канала от литника в полость опоки: 1 — нижняя опока; 2 — дно литника. При
этой операции можно подправить отвалившиеся кусочки по краям полости и вынуть крошки
из полости, а также укрепить с помошью втыкания гвоздей выступы, которые могли бы обва-
литься при заливке.
q) — поверхность опыляется графитом сквозь мешочек из редкой материи: 1—литниковый канал.
р) — вынимание модели из верхней опоки: 1 — модель расшатывается и за ввинченный в нее
винт вынимается; 2 —места, где были ложные шишки; 3 —- верхняя опока-
г) — обработка верхней опоки: 1 — против верхней части модели вырезается канал для выхода
воздуха тонкостенной латунной трубочкой; 2 — верхняя опока; 3 — пунктиром показан канал для
воздуха. Поверхность опыляется^графитом.
имеет три гнезда, а в соответствующих местах верхней опоки
имеются три шпильки, в виду чего опоки могут быть достаточно бы-
стро собраны с соблюдением точности в их взаимном располо-
жении (рис. 21 а).
Затем формовщик наполняет нижнюю опоку до половины
формовочной землей, пропуская ее через сито или грохот. Фор-
мовочная земля состоит из смеси белого чистого песка и неболь-
шого количества глины. В некоторых случаях добавляется не-
много порошкообразного древесного угля или графита.
Эту смесь надо предварительно смочить до такой влажности,
чтобы при сжимании в руке земля давала бы довольно плотный
ком с отпечатком пальцев, но, с другой стороны, проходила бы
при сильном встряхивании через грохот с отверстиями в 6 мм.
Одной и той же формовочной землей можно пользоваться не-
сколько раз, пополняя при этом только неизбежные потери.
После заполнения землей нижней опоки последнюю тщательно
утрамбовывают вокруг модели деревянным инструментом, име-
ющим форму пестика или образца для испытания на разрыв
с той лишь разницей, что один конец делается плоским, а дру-
гой тупым, в виде усеченного клина, как показано на рис. 21 Ь.
После этого добавляют землю и утрамбовывают ее, повторяя
это до тех пор, пока опока не будет заполнена землей до краев.
Затем форму протыкают тонкой металлической проволокой, чтобы
дать выход образующимся при литье металла парам и газам
(рис. 21 с). Теперь опоку поворачивают плоскостью разъема
вверх и удаляют ложные шишки, как это показано на рис.
21 d и 21 е.
Далее вторую половину модели устанавливают на заформо-
ванную первую часть. Точная установка обеих половинок модели
обеспечивается имеющимися в ней шпильками. Всю откры-
тую поверхность первой опоки посыпают сухим песком, как
показано на рис. 21 /, чтобы предотвратить прилипание обеих
частей формы друг к другу. После этого верхнюю опоку ста-
вят на нижнюю, наполняют землей и утрамбовывают ее так
же, как это делалось с нижней (первой) опокой (рис. 21 g).
Затем тонкой проволокой протыкают в земле ряд отверстий
(рис. 21 h).
На некотором расстоянии от модели в земле вырезается лит-
никовый канал (литник), немного глубже плоскости разъема
формы. Для этого пользуются тонкостенной латунной трубкой,
которую осторожно вдавливают в землю и извлекают оттуда
вместе с застрявшей в трубке землей (рис. 21Z). Литник диаме-
тром 25 мм вполне достаточен для заливки от 5 до 50 кг ме-
талла. Рекомендуется прорезать литник постепенно, примерно
по длине в 20—25 мм. Литник не должен непосредственно со-
общаться с подлежащим заполнению металлом пространством
формы, так как она при этом может быть легко разрушена па-
39 Стронг
609
дающей струей металла. В верхней части литника вырезается
чашеобразное углубление, как это показано на рис. 21 I и 21 k.
В это углубление и наливается металл.
После этого с нижней опоки осторожно снимают верхнюю
и кладут ее рядом, разъемной стороной кверху. Затем в отвер-
стие металлической планки для расколачивания вставляют стер-
Рис. 21. Отливка в землю.
s) — опокя устанавливается на полу, шишка вставляется на место.
{)— иижняя опока осторожно накрывается верхней.
и) — обе опоки свинчивают струбцинками и заливают металлом.
v)— вид отливки, вынутой из земли до обрубки: 1 — лишние выступы
надо удалить.
жень и осторожно расшатывают модель по всем направлениям
для отделения от земли, как это показано на рис. 21 т. Далее
в металлическую планку ввинчивают подъемный винт и осторожно
вынимают модель из земли (рис. 21 л).
После этого в плоскости разъема, от формы до литника, вы-
резают канавку. Благодаря этому заливаемый в литник металл
не будет непосредственно попадать в форму, и тем самым отпа-
дает возможность повреждения формы струей расплавленного
610
металла. Этому будет способствовать горизонтальный участок
литника, смягчающий удар струи металла при его падении
(рис. 21 о и 21 п).
Форму необходимо тщательно осмотреть, проверить целость
углов и кромок и специальным формовочным инструментом ис-
править разрушения, если они имеются. Попавшие внутрь формы
куски земли удаляют щеткой или выдувают мехами. После этого
форму тщательно присыпают из небольшого матерчатого мешочка,
наполовину наполненного мелко истолченным графитом, кото-
рый затем равномерно распределяют по поверхности мягкой
щеткой из верблюжьей шерсти, как показано на рис. 21 р. При
отливке стальных изделий назначение графитных покрытий формы
состоит в получении твердого поверхностного слоя отливки,
с другой стороны, эти покрытия имеют целью повысить твер-
дость поверхностей формы и заполнить имеющиеся на них мель-
чайшие углубления и изъяны.1
Модель из верхней опоки снимается точно так же, как и из
нижней (рис. 21 q). При отливке сложных по форме и крупных
изделий в верхней опоке вырезают один или несколько выпо-
ров. Они похожи на литники с той лишь разницей, что соеди-
няются с самой верхней частью формы. При отливке сложных
изделий выпоры предназначаются главным образом для отвода
задержавшегося в форме воздуха; при отливке крупных изделий
выпоры, кроме этого, служат для собирания шлака, поднимаю-
щегося на поверхность, а также в качестве резервуаров для
металла, компенсирующих его усадку при охлаждении. Выпор
показан на рис. 21 г.
В таком виде форма готова для установки шишек и сборки.
При отливке тонкостенных изделий обе половины формы для
удаления влаги с их поверхностей нагревают с помощью паяль-
ной лампы, так как в противном случае может произойти засты-
вание металла еще до начала заполнения всей формы.
Для изготовления шишек, как уже указывалось, применяют
специальные ящики, которые наполняют смесью, состоящей из
грубого песка и связующего материала. Этой смесью шишель-
ные ящики наполняют до верха, утрамбовывают и выравнивают
линейкой, затем опрокидывают на металлическую плиту и после
встряхивания приподнимают. На плите остаются половинки ши-
шек, которые высушивают в течение нескольких часов в печи.
После этого обе половины прикладывают друг к другу и связы-
вают тем же материалом, из которого они изготовлены, или
клеем, или, наконец, пастой и снова высушивают (рис. 22). Для
изготовления шишек следует пользоваться кварцевым песком.
1 Присыпка формы истолченным графитом и древесным углем имеет также
Целью предохранить отливку от прилипания к ней формовочной земли. Практи-
чески нужно считать, что в этом состоит, пожалуй, основное значение припы-
ли вания формы. Прим. ред.
611
просеянным сначала через сито №50, а затем через сито №70,
при чем через последнее песок не должен проходить.1
В качестве материала для склеивания шишек можно приме-
нять различные связующие вещества, перечень которых читатель
найдет в любом пособии по литейному делу. Наиболее употре-
бительные связующие материалы указаны в табл. 2.
Рис. 22. Отливка в землю.
XII — изготовление шишек.
1 — шишельные ящики набиваются до верху песком, смешанным с маслом
или патокой; 2—лишний песок снимают линейкой; 3—шишельные ящики
опрокидывают на металлическую плиту; 4 — ящик осторожно простуки-
вают; 5 — яшики снимают и шишки сушат в печи в течение 2-х часов
при температуре около 175° С; 6 — обе половины шишки складывают и
смазывают смесью из песка, замешанного на масле, или клеем и снова
сушат в течение одного часа; 7—после этого шишка готова для
установления в форму.
При использовании льняного масла шишки сушат в течение
1% часа при температуре в 220° С, а для остальных материалов
достаточна температура 175” С и выдержка в течение 1 и даже
1 Номер сита выражает количество отверстий на длине равной одному дюйму.
Если обозначить через а ширину отверстия, а через b толщину нити сита
в мм, то количество отверстий (N) на 1 линейный дюйм выразится формулой:
Такой способ обозначения сит принят в большинстве стран и, в частности,
у нас в СССР. Прим. ред.
612
Таблица 2
Связующие материалы для шишек
Материал
Количество
Льняное масло .............................
Патока.....................................
Вар........................................
Канифоль...................................
2°/0 по объему
2%
5% по весу
4% -
V2 часа. Льняное масло дает наиболее прочные шишки, вар
и канифоль — наиболее слабые. Тонкие непрочные шишки арми-
руют железной проволокой. В массивных шишках необходимо
предусмотреть меры для обеспечения прохода через них газов,
так как в противном случае последние могут стать причиной
разрушения отливки. Для этого при изготовлении шишки в пе-
сок заформовывают полоски воска, которые в процессе сушки
выплавляются, оставляя каналы для выхода газов.
Готовые шишки помещают в форму, затем собирают опоки.
Обе опоки — верхнюю и нижнюю — необходимо плотно скрепить,
как показано на рис. 21 и, так как иначе металл может вытечь
между краями. После этого форма готова для разливки металла.
При массовом производстве, т. е. при изготовлении большого
количества одинаковых отливок, применяют соответствующие
размерам верхней и нижней опокам доски (так называемые под-
модельные доски). Их снабжают шпильками и гнездами, соответ-
ственно последним как в верхней, так и в нижней опоках. Обе
половины модели прикрепляют надлежащим образом к доскам
и затем обе половины формы подготавливают отдельно. Эта
работа может быть поручена разным рабочим; сборку опок произ-
водят только ко времени разлива металла. Мелкие металлические
модели прикрепляют по нескольку штук на одну доску, что дает
возможность одновременного изготовления ряда отливок в одной
паре опок.
Расплавленный металл осторожно заливают в форму. Шлак,
всплывающий на поверхность металла, следует снимать в тигле
или ковше. Для легкоплавких металлов, разливка которых про-
изводится из металлических сосудов, можно пользоваться ков-
шом со сливным носиком, соединяющимся с нижними слоями
металла, налитого в ковш. Таким образом, заливаемый в форму
металл берется со дна ковша, при чем шлак и окислы металла
остаются в ковше и не попадают в форму. При отливке мас-
сивных изделий металл обычно перемешивают, сбивая его вверх
и вниз вдоль литника при помощи металлического прутка.
Этим предупреждается застывание металла в литнике до затвер-
613
девания наружных слоев отливки. При затвердевании отливки
находящийся в литнике металл опускается, чем и предупреж-
дается образование усадочных раковин в верхней части отливки.
Выходящие из формы газы обычно горят ярким пламенем. При
сильном горении в местах разъема опок пламя необходимо за-
лить водой, иначе это приведет к повреждению опоки.
Крупные отливки оставляют на ночь в земле для охлажде-
ния; мелкие же могут быть сразу вынуты из формы. На одном
из инструментальных заводов небольшие отливки сразу же вы-
нимают из формы и опускают в воду накаленными до красна.
Образующиеся при этом пары сдувают припекшуюся землю и
даже выбрасывают шишки, в результате чего отливки получаются
чистые.
После обрубки литника, прибылей и выпоров отливка посту-
пает в дальнейшую обработку на станках или каким-либо иным
способом (рис. 21 V).
Нередко возникает необходимость установить вес готовой
отливки, прежде чем она будег сдана заказчику. Это может
быть сделано достаточно просто: взвешивают модель, вычитают
из нее вес шишки и полученный результат умножают на коэфи-
циеят, представляющий собой отношение веса металла к весу
материала модели.
В табл. 3 даются некоторые из этих коэфициентов.
Таблица 3
Отношение веса готовой отливки к весу модели1
Материал отливки | Материал модели
Наименование удельный вес сосна, уд. вес 0,55 береза, уд. вес 0,63
Серый чугун 7,2 13,1 11,4
Ковкий чугун 7,4 13,5 11,7
Сталь 7.8 14,2 12,4
Бронза оловянистая 8,5 15,5 13,5
Дюралюминий . . • 2,95 5,4 4.7
При выполнении одной отливки, например в условиях лабо-
ратории, надлежит вводить в расчет вес металла, идущего на
литники, выпоры и прибыли. В производственных же литейных
этот металл не учитывается, поскольку он идет сноза в пере-
работку.
1 У автора приводятся данные применительно к условиям производства
в США. Настоящая же таблица разработана для тех материалов, которые при-
меняет наша отечественная промышленность. Прим. ред.
614
Заливка подшипников баббитом
Баббит представляет собой сплав из свинца и олова с неболь-
шой добавкой сурьмы, которая предназначена для того, что-
бы препятствовать разрушению сплава при температурах ниже
нуля.
Марки баббита отличаются своим составом, в зависимости
Рис. 23. Изготовление баббитовых подшипников.
1 — ложный стальной вал; 2 — формовочная земля или „баббитрит“ для
удержания на месте ложного вала; 3— основание зажимается так, чтобы ось
была в горизонтальном положении; 4 — расплавленный баббит; 5 — удаление
шлэка и пленок; 6 — асбестовые или картонные кольца; 7 — глина или „баббит-
рит" для крепления колец и предотвращения утечки баббита; 8 — глина или
„баббитрит* в верхней части; 9 — воронки из толстой бумаги для заливания
баббита; 10 — картонная прокладка; 11 — баббитовые полукольца; 12 — в таком
виде втулка готова для точной пригонки к валу.
Необходимо пользоваться ложным валом, а не настоящим, который под
действием иагретого баббита может деформироваться.
от чего предназначаются либо для быстроходных подшипников,
либо для подшипников, работающих с большой нагрузкой.
Баббитовые подшипники обычно отливают таким образом,
чтобы они образовали как бы форму втулки. Иногда практикуют
сплошную заливку подшипника, когда баббит заполняет пол-
ностью отверстие подшипника, которое в дальнейшем просвер-
615
Рис. 24. Стойка полярной оси для
небольшого телескопа в собранном
виде.
1 — для зажима этой гайки можно пользо-
ваться ручным ключом; 2—зубчатое колесо
с червячным ходом; 3 — масленки; 4 —круг
прямых восхождений; 5— винт для установки
оси склонений; 6 — пружинная шайба; 7 —
червяк для суточного вращения. Для него
можно воспользоваться приводом от часо-
вого механизма.
ливают и развертывают до необходимого диаметра. Но чаще
всего подшипники заливаются баббитом в виде двух половин
с установкой ложного вала. В некоторых случаях баббитовые
подшипники оказываются вполне пригодными для работы без
дальнейшей обработки, но в случае применения их в качестве
прецизионных подшипников их надлежит пришабривать, пригоняя
к шейке вала. Отливку всегда необходимо производить, пользуясь
ложным валиком, так как горячим
баббитом может быть вызвано
коробление рабочего вала. На
рис. 23 показан способ отлиеки
разъемного подшипника.1
Отливка в сепиолит
Существует еще один способ
отливки, который может быть
полезным в лаборатории, — от-
ливка в сепиолит. Преимущества
этого способа заключаются в
легкости и быстроте изготовле-
ния отливок. Весь процесс изго-
товления формы и выполнения
отливки занимает не более полу-
часа. Однако размеры изделий,
подлежащих огливке, не должны
превышать по толщине 5 — 6 мм,
по ширине 30 — 35 мм и по дли-
не 75 мм. Модели должны быть
изготовлены из металла, так как
они подвергаются да злению при
формовке. Уклоны и фаски на модели могут быть лишь весьма
незначительными или даже в все отсутствовать. Шишек применять
нельзя. На рис. 25 показан этот спссоб отливки. Мягкая извест-
ковая поверхность сепиолита легко поддается нажиму и воспро-
изводит весьма точный отпечаток вдавливаемого в него пред-
мета. При вдавливании толстых моделей встречаются некоторые
затруднения, которые преодолеваются повторным вдавливанием
модели в известковую массу. После каждого такого вдавливания
необходимо тщательно удалять из отпечатка кусочки раскро-
1 Перед заливкой баббита поверхности подшипника следует тщательно об-
лудить. Заливку рекомендуется производить не при горизонтальном, а при
вертикальном положении оси подшипника. Ложный вал должен иметь диаметр на
0,5 — 0,8 мм меньше окончательного диаметра подшипника, что соответствует
припуску на обработку путем развертывания. Залитый баббит рекомендуется
уплотнять путем легких ударов по его поверхности. Согласно ОСТ 88 для
больших скоростей и нагрузок применяется баббит марок Б83 и Б. М., для
средних — марок Б16 и для малых — марки Б10 и Б. С. Ярим, ред.
616
Рис. 25. Отливка в сепиолит.
1 — твердая оболочка — задняя сторона; 2 — мягкое известковое напол-
нение— передняя сторона (необходимы две таких чашечки); 3 — мягкие
лицевые стороны двух сепиолитов обрабатываются напильником для полу-
чения плоских поверхностей; 4 — металлические модели и два стальных
шарика помещают между сепиолитами; 5 — напильником на краях вырезают
зарубки; 6 — сепиолиты плотно прижимают друг к другу; 7 — сепиолиты
разъединяют и модели вынимают, а шарики остаются и служат фикса-
торами; 8 — вырезают канавку для образования литника, края обоих
сепиолитов подрезают для образования воронки; 9 — форму скрепляют
проволокой и помешают в сухой песок; 10 — металл расплавляют горелкой
в углублении кирпича; 11 — металл заливают в форму; 12 — отливку
вынимают из формы.
тлившегося материала. Сепиолит выдерживает довольно высокую
температуру и обладает достаточной пористостью, обеспечивающей
удаление образующихся при отливке газов.1
Изложенные выше приемы получения отливок в условиях ла-
бораторной работы пригодны при изготовлении деталей прибора
из различных металлов и сплавов. В зависимости от температуры
плавления их должна несколько изменяться и техника литья.
Гораздо серьезнее вопрос о выборе материала для отливок
и составлении шихты. Для большинства деталей пригодна ла-
тунь из обломков разрушенных приборов и арматуры, а также
сплавы алюминия с медью и другими металлами. Хорошие
отливки получаются из типографского металла („гарт").
Для изделий, требующих высоких механических свойств, ре-
комендуется бериллиевая бронза.
Однако для физических исследований неизбежно применение
сплавов с особыми специфическими свойствами. Такие сплавы
часто нельзя приобрести готовыми. Их приходится изготовлять
из промежуточных сплавов или лигатур, состав которых точно
известен (или определен предварительно количественным ана-
лизом). В этом случае изготовление шихты и сплава требует
применения специальных приемов и ряда предосторожностей.
Очень много полезных, проверенных на практике указаний,
касающихся составления шихты и приемов литья, можно получить
в книжках В. А. Буталова „Легкие сплавы", Лениздат, 1944 г.
и „Изготовление сплавов цветных металлов", Лениздат, 1945 г.,
а также в ряде основных руководств по металлургии.
При изготовлении большинства сплавов необходимо защищать
их поверхность от окисления, покрывая ее флюсом, соответ-
ствующим температуре плавления металла. Можно рекомендо-
вать флюс из равных частей хлористого натрия и хлористого
кальция (температура плавления его 500°) и флюсы из других
хлористых и фтористых солей щелочных и щелочноземельных
-металлов. Флюс должен растворять окислы расплавляемых ме-
таллов.
1 Получить сепиолит у торгующих организаций не всегда возможно. По-
этому этот способ отливки иногда бывает целесообразно заменить отливкой
в формы из магнезита или талькохлорита, которые легче приобрести. Оба эти
материала в сыром виде легко обрабатываются режущими инструментами и на
всех станках. После обработки их прокаливают сначала до 600°, потом выше
1000°. При этом они» не испытывая заметной усадки и не деформируясь,
приобретают большую твердость и механическую прочность. Формы из этих
материалов готовятся без моделей; непосредственной механической обработкой
по чертежам. Они могут служить много раз и дают исключительно чистую
поверхность на отливках. Из этих же материалов можно изготовлять и маленькие
тигли. В последнее время получают широкое распространение отливки в сталь-
ные формы под давлением. Прим. ред.
ДОПОЛНЕНИЕ
ЭЛЕКТРОННЫЕ И ИОННЫЕ ПРИБОРЫ В ЛАБОРАТОРНОЙ
ПРАКТИКЕ
Читатель этой книги на ряде примеров имел возможность
убедиться, какое важное значение получили электронные и ион-
ные приборы (электронные лампы, тиратроны и пр.) в технике
современного эксперимента и каким мощным орудием исследо-
вания они могут стать в руках опытного экспериментатора. К со-
жалению, во многих лабораториях они еще не получили доста-
точного признания.
Быстрое развитие радиотехники и электроакустики вызвало
в последние годы небывалый расцвет электровакуумной промыш-
ленности. Она выпустила в обращение множество новых типов
и моделей электронных приборов весьма совершенных и спе-
циально приспособленных для решения сложных технических и
экспериментальных задач. Нужна специальная подготовка и со-
ответствующая квалификация, чтобы правильно использовать
все преимущества и особенности новой аппаратуры. Сотрудники
же исследовательских лабораторий не всегда бывают достаточно
осведомлены о новых электронных приборах, чтобы оценить по
достоинству ту пользу, которую они могут извлечь из применения
их в своей повседневной работе.
Сводка сведений об электронных лампах сделана в книжке
инж. Левитина „Усилительные радиолампы", но она содержит
описание только старых образцов, выпущенных до 1938 г. Не-
которые дополнительные сведения, описание нескольких типов
генераторных электронных ламп и новых образцов усилитель-
ных, а также изложение элементарных способов расчета про-
стейших схем включения их и условий эксплоатации читатель
найдет в книге Гинкина „Справочник по радиотехнике", Связь-
издат, Москва.
Сводку наиболее важных для повседневной работы сведений
мы помещаем ниже.
В табл. 1 мы приводим данные об американских лампах,
упоминаемых в различных местах текста этой книги. Она
позволит подобрать вместо них лампы отечественного
619
Таблица 1
Параметры американских электронных ламп, упоминаемых в этой книге, и замена их отечественными
g н 57 56 и 76 77 6-L-6 89 42 6-А-4 6-С-6 80 866 Назначение Трехсеточная, детек- торная и усилитель- ная (высокой ча- стоты) пентод . . . Триод, усилительная и детекторная .... Трехсеточная, детек- торная и усилитель- ная (высокой ча- стоты) Мощная лучевая лампа Трехсеточная, мощная усилительная . . . Мощный усилитель- ный пентод .... Мощный пентод . . . Трехсеточная детек- торно-усилительная Двуханодный кенат- роп Газотрон ртутный . . дз о § 6А 5 В 6А 7 В 6А 6 В 5А 6А 4А Катод А V Jf иа max V ^экр max V Л8П Е Л Rj омы t/Э Л С* Мощ- ность W Замена оте- чественной лампой
Оксидн. подогр. То же То же То же То же То же Прямого накала То же Прямого накала оксидн. Прямого накала 2-2,5 2-2,5 6,3 6,3 6,3 6,3 6,3 6,3 5,0 2,5 1,0 1,0 0,3 0,9 0,4 0,7 0,3 0,3 2,0 5,0 250 250 250 400 250 250 180 250 Мак HI Мак Jc 100 100 330 250 250 180 100 сима; >1Й вь сима; реди. - 3,0 —13,5 — 3,0 —25,0 —25,0 —16,5 — 12,0 — 3,0 ibnoe i шрямл IbHOC 1 = 0,5 2 5 2,3 102,0 32,0 34,0 22 2,0 1апря енны 1апря А. Па >1,5Х106 9500 1,5X10ь 7000 8000 4000 ! 1X1 о6 жение 350 й ток 125- жение 500 денис нап 1-25 1.4 1,25 1,8 2,35 2,2 1,2 -550 -135 0 воль ряжен >1500 13,8 1500 125 190 100 1185 ВОЛЬТ, "М mA т, *1макс ИЯ — 15 6000 6750 7000 8000 акси) = 1 1 в. 60 34 3 1,4 >аль- СО-193 и 6-Ж-7 ПО-119 6-Ж-7 6-Л-б 6-Ф-6 6-Ф-6 6-Ж-7 ВО-116, ко- торый однако имеет Uf = = 4 вольта. В Г-161 ти- ратроном ТГ-160
Т а б л и ца 2
Новые типы усилительных электронных ламп
mA V *1а mA s mA/V Rf о Изо- ляция MW ua V V ug2 V Jg2 mA
МАЛОГАБАРИТНЫЕ ЛАМПЫ
УБ-240 Триод 105—135 2 2,2- 4,4 1,15—1,95 15 000 > 12 20—50 120 — 1 — —
СО-241 Пентод 105-135 2 2,5— 4,5 1,2 -2,0 750 000 > 10 > 100 120 — 1 70 0,6-0,4
СБ-242 Пентагрид 140—183 2 1,4— 3,0 0,28-0,56 150 000 — — 120 — 120 2,3
СО-243 Двойной триод .... 220—260 2 2 — 3,2 2,1 32 > 100 —
СБ-244 Оконечн. пентод .... 165—205 1,8 2,8— 5,4 1,8 180 000 — > 50 120 — 2,5 120 0,4—1
СБ-258 Оконечн. пентод .... 235—345 1,8 7,0-13,0 2 80 000 — > 50 160 — 6 120 1,0—2 ;
СБ-245 Экраниров. тетрод . . . 235—345 1,8 4,5— 9,5 1,8 300 000 >75 > 50 160 — 2 80 1—3
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ЛАМПЫ
2К2М Пентод высокочастотный . 53-65 2 2,1 0,9 100 000 — > 50 120 — 1 ! i 70 0,6
2П4М Пентод оконечный . . . 110—135 2 6 1,8 80 000 — > 50 240 4 120 1,6
2Ф2М Триод 53—67 2 1,4-3,0 0,8—1,3 16 000 15 > 100 120 1 — —
2А2М Пентагрнд преобразова- тель 53-67 2 0,3 0,15 1 300 000 — — 120 — 1 120 —
производства, сделав соответствующие изменения в схемах вклю-
чения их.
Малогабаритные лампы. Табл. 2 содержит параметры
новых образцов так называемых малогабаритных усилительных
электронных ламп, которые особенно удобны в лабораторной
практике и которые в последнее время получили весьма лест-
ную оценку со стороны специалистов.
Дальнейшим успехом нашей электровакуумной промышлен-
ности являются усилительные лампы последнего выпуска, так назы-
ваемые „экономические лабораторные". Они требуют ничтожного
тока накала катода (всего около 50 миллиамперов) и пониженного
анодного напряжения; таким образом, обеспечить их стабильным пи-
танием оказывается значительно проще, чем лампы всех прежних
типов, а коэфициент полезного действия и другие параметры их
остаются при этом весьма высокими. Их данные также сведены
в табл. 2.
Несомненно в самое ближайшее время они получат общее
признание и широкое распространение в наших лабораториях.
Особого внимания заслуживают пентод 2К2М и триод УБ-240.
Следует отметить, что в лабораторных схемах эти лампы допу-
скают значительное снижение анодного напряжения (до 50—90
вольт) против нормального, применяемого в приборах средств
связи.
Надо помнить, что в порядке непрерывного улучшения
параметры ламп, выпускаемых на рынок, несколько меняются и
необходимо внимательно знакомиться с паспортами, приклады-
ваемыми к каждой лампе.
Жолуди. В технике высоких частот и ультракоротких волн
за последнее время приобрели большое значение так назы-
ваемые „лампы-жолуди“, отличающиеся исключительной про-
стотой своего внешнего оформления, малыми размерами и вме-
сте с тем чрезвычайно малой электроемкостью как электродов
в лампе, так и внешних подводящих проводов. В этом оформле-
нии у нас в Советском Союзе были выпущены три серии таких
ламп, содержащих каждая три основных типа (триод, пентод и
оконечный триод повышенной мощности, пригодный в качестве
генераторной лампы), отличающихся друг от друга током накала.
Первая серия имеет подогревные катоды на 6,3 вольта и 0,065
ампера. Вторая серия с катодами прямого накала по своим
данным подходит к двухвольтовым малогабаритным лампам и
может вместе с ними работать при параллельном питании.
Наконец, третья серия соответствует экономическим малогаба-
ритным лампам, однако она требует еще меньшей мощности
для накала катода —это так называемая одновольтовая серия.
В табл. 3 собраны параметры жолудей двух серий. Более под-
робные данные для жолудей с подогревным катодом приведены
в „Справочнике" Гинкина. Малые размеры жолудей и простота
подводки к ним проводов чрезвычайно облегчают экранирование
622
Таблица 3
Жолуди
V 1 Л JfI Ja mA S mA/V R, M'J i U V maxv > ЬГ р max V уш saf f
6Ж 1Ж Пентод 0,15 6,3 2 > 1,4 Колуди 1 ПОД 2000 огре 250 вные 3 100 0,7 0,007
6Ф зм (954) Триод 0,15 6,3 4,5 2 0,0125 25 180 3 — — 1,4
6К 1Ж (955) Пентод 0,15 6,3 5,5 1,8 0,8 1400 250 3 100 1,8 0,07
1Ж 1Ж (956) Пентод 0,05 ) 1,25 Колу 1,7 ДИ 9 0,6 коном и 0,8 ческ 480 ie П] 135 эямо 3 го на к 67 ала 0,4 0,02
(959) Триод 0,05 1,25 2 0,6 0,025 16 135 —— 2
(957) Триод (958) 0,05 1,25 3 1,2 0,01 12 135 — — — 3
и монтировку их внутри различных приборов (термостаты и пр.),,
как это неоднократно было отмечено, вместе с фотоэлементами
и с другими измерительными инструментами. При этом следует
помнить, что ничтожная подводимая к ним мощность меньше,
чем при других лампах, нарушает температурный режим установки.
В ряде работ, например для измерения разностей потенци-
алов при ультравысоких частотах, жолуди оказываются совер-
шенно незаменимыми, так как их можно располагать в непо-
средственной близости от точек, между которыми необходимо
производить измерения, и довести до минимума длину подводя-
щих проводов. Так устроен высокочастотный вольтметр ВКС-7,
заслуживший в наших лабораториях большую популярность.
Иностранные электрометрические лампы. Чтобы
дать наглядное представление о различных возможных способах
применения электронных ламп для электрометрических целей и
о параметрах тех схем, в которых они могут работать, в дополне-
ние к тем сведениям, которые помещены в главе X, приводим табл. 4.
В этой таблице даны параметры всех наиболее совершенных электро-
метрических ламп, описанных в мировой специальной литературе,
которыми пользовались различные экспериментаторы в своих
исследованиях и на которые они ссылаются. Эта таблица позво-
ляет сопоставить между собой условия их работы, оценить
623.
'аблица параметров электрометрических ламп, применяемых в лабораторной практике
шш р 40 52 § ? 1 1 1 1 1 1 1 8 I I
ШШ I о . о CO 1 со см ю ~ сч | | | | | | | ос 1 1
б о о <0 ООО »—< Г— СО 1* ’о 22 €0 сс ТГ н О *Т “* О О ’о2"Ь 1 'о 'о " “ - Дй2 " - ? 1 S2
0,001 0,001 0.001 1,00 2,00 — 0,1 <0,01 < 0,01— 1001 10 0,01 <0,1 0,001
jn’Tl и’э 10 1 оГ 1 со 1 1 1 1 1 1 1 £ II
% а 1 1 1 16-7,5 16-7,5 О I СО 1 мм и d = 12 мм,
1П 0,9 1 0,8 0,8 — - 0,5—1,0 1.7 1,66
б>1 !а A/Vt! S 25 45 40 — 75 7.5 90 8,9 60 13,3 60 — 45 — 80 — 30 30 — 300—400 — 60 — 55—10 30 500 — 25 ю со J1 X rt п.
i ущ’ Bf о с ю 1 ? о с и о О 2оо со СО $ 3^2 1 1 1 1 1 1 О ° S см d 1900 cL S CL
А г3П 1 1 1 II 11 7 7 I । Т 1 СО ’СГ 1 1 «< с sS ~
А 1ЙП ту тГ СО со со сот m тг со , тг 1 1 11 1 1 1 J 4—15 4 •2 О • d 5« S О ° 2 =* ° Й «
А ®П i CD rf СО /— i<5 X СО СМ (ОСО^иОХГ^СОтГ I10 I 1 S О ГУ <3 s §> »! Я « S 1 ® л О о
уш 3f ! 1 1 II 1 1 1 1 1 " 1 1 1 ¥ О X Й s CJ S CJ a 2
yui Jf ИО1 270 250 о о о о о о о о е О <О 00 о О о о СО см г- а -i ю — с 300 100 тка с с кается еднее е
A Jfl in о с см -Г о m со со Ш О СМ m । m "оГсм СО СМ О сч о сч 4 2,5 а (J О >^5 с К А toxica
Тип 1 FP-54 D-96475 DPH-505I со Г- "о. m S < Т5 “а, £ m « XX й О т « _ у ’S йл. -- 7 7 g z сл go S « Q Q < h Н ? J J СПО И 2 £
624
достигнутую ими точность и, если понадобится, позволит про-
извести проверку полученных с помощью их результатов.
Тиратроны. Если в процессе лабораторной работы прихо-
дится пользоваться автоматическими приводами и другими авто-
матами для управления частями сложных установок, например
счетчиком, отметчиком, регулятором и пр., которые требуют
значительной мощности,—а надобность в этом в современной
лабораторной практике обнаруживается все чаще и чаще, — необ-
ходимо прибегать к газовым лампам, так называемым тиратронам.
На страницах этой книги такие случаи уже были отмечены. Мы
имеем в обращении достаточное число различных типов тира-
тронов, обеспечивающих все нужды лаборатории в приборах этого
рода. В табл. 5 приводятся данные наиболее ходовых типов
маломощных тиратронов, позволяющие сделать выбор нужного
образца и подобрать его питание.
Таблица 5
Стабилизаторы напряжения. Вопрос о стабилизации
постоянного напряжения с достаточной степенью точности, удо-
влетворяющей большинство требований, которые предъявляют
наиболее распространенные лабораторные приборы и обычные
40 Стронг
625
измерения, разрешается при помощи ионных газовых стабилиза-
торов. Отрицательное сопротивление (так называемая „падающая
характеристика") газового разряда позволяет с исключительным
постоянством поддерживать на его выводах разность потенциа-
лов, если последовательно с разрядным промежутком включить
соответствующее омическое сопротивление. Эта постоянная раз-
ность потенциалов зависит главным образом от состава газа и
вещества электродов, а потому ее нельзя изменять в процессе
работы. Для аргона и специально тренированных никелевых
электродов она равняется 70 вольтам. Если желательно стаби-
лизировать более высокое напряжение, следует взять несколько
разрядных промежутков последовательно.
В наших лабораториях получили распространение два типа
газовых стабилизаторов СГ-226 и СГ-227, различающихся друг
от друга по отдаваемой ими мощности. Каждый тип содержит
четыре разрядных промежутка, и таким образом максимальное
стабилизированное напряжение достигает 280 вольт. При же-
лании стабилизировать большие разности потенциалов можно
соединить два стабилизатора последовательно. Параметры этих
стабилизаторов приводятся в табл. 6.
Таблица 6
Газовые стабилизаторы напряжения
Марка Каскады Напряжение V Сила тока миним., mA Сила тока максим., mA Напряжение зажигания, переменное V Высота, мм Диаметр, мм Вес, г
СГ-226 СГ-227 4 4 70 140 210 280 + 5 То же 8 10 40 80 95 То же 135 140 47 68 140 215
Надо отметить, что эти стабилизаторы являются незамени-
мым средством для сглаживания пульсаций выпрямленного тока,
так как инерционность их ничтожна. С этой точки зрения они
часто могут заменять тяжелые и громоздкие фильтры с конден-
саторами и дросселями.
Твердые выпрямители. В течение последних лет совер-
шенно исключительное значение в лабораторной практике при-
обрели электронные приборы, основанные на особых свойствах
полупроводников, и, в частности, так называемые твердые выпря-
мители.
Действие их основано на асимметрии контакта двух металлов,
между которыми помещается слой полупроводника.
При этом путем подбора химического состава и технологии
62о
между полупроводником и одним из металлов образуется так
называемый „запорный слой", обладающий односторонней про-
водимостью. Хотя теории этого явления и посвящено множество
работ, однако полной ясности в этом сложном вопросе достичь
еще не удалось. Наиболее глубокими являются исследования5
академика А. Ф. Иоффе и его школы, напечатанные в русских,
специальных журналах.
Техническое применение твердых выпрямителей, основанное
как на теоретических исследованиях, так и па эмпирических
данных, непрерывно растет, и ряд производственных организаций
ныне выпускает их все в большем и большем количестве.
В лаборатории твердые выпрямители применяются или в
форме детекторов для измерения слабых высокочастотных токов,
или в форме выпрямительных вентилей для питания от сети
переменного тока приборов постоянного тока (зарядка аккумуля-
торов и пр.).
Для детектирования очень мелких напряжений, порядка 10—
1000 mV, высокой частоты, наилучшими являются детекторы
с острием из естественных кристаллов „галенита" (свинцовый
блеск) и „пирита" (последний дает большее постоянство детекти-
рования).
Для напряжений от 0,2 до 5 вольт можно рекомендовать
детекторы из закиси меди, которым можно придать оформле-
ние в виде миниатюрных вентилей, собранных по схеме Греца,
для помещения в корпус измерительного прибора.
В самое последнее время наилучшие результаты получены
с детекторами из сплавов германия с небольшими примесями
других металлов (олово и пр.), которые дают при большой
устойчивости значительные к. п. д., и детекторы с кремнием,
обеспечивающие устойчивость электрических параметров при-
боров. Вентили для 50-периодного тока большей силы изгото-
вляются в форме шайб, покрытых слоем закиси меди или селена.
Соединяя несколько шайб последовательно, можно получить
выпрямительные приборы, собранные по схеме Греца на любое
число вольт (от 10 вольт до нескольких тысяч). Что же касается
предельной силы тока, который могут пропускать такие при-
боры, то он определяется как размерами отдельных шайб, так
и числом их, включенных параллельно. Режим и допустимая
мощность, которую можно получить от этих приборов, зависят
от характера нагрузки (аккумулятор, ламповый генератор, мотор
и пр.) и, главное, от температуры, которую желательно под-
держивать в определенных пределах для получения хорошего
к. п. д. (порядка 50". о).
Ряд полезных сведений содержится в книге А. 3. Левинзона
„Твертые выпрямители".
Выпрямительные устройства рекомендуется питать от стабили-
заторов, построенных или на принципе пересыщения железа в про-
межуточном трансформаторе, или на принципе феррорезонанса.
40*
627
В настоящее время некоторые заводы выпускают маломощные
вентильные устройства для очень высоких напряжений, до 40 000
вольт, отличающиеся исключительной компактностью. Они со-
ставляются из множества включенных последовательно миниатюр-
ных селеновых шайб, залитых в массивные блоки из изолирую-
щих пластмасс, что делает их исключительно удобными для
лабораторной практики. Для зарядки аккумуляторов рекомен-
дуются маленькие агрегаты, потребляющие мощность около
100 ватт и дающие на выходе или 6в и 6А или 24в и2А, состо-
ящие из трансформатора с магнитным дросселем и медно-
закисных вентилей, собранных по схеме Греца.
Термисторы. Другим типом электронных приборов с полу-
проводниками являются так называемые термисторы — сопро-
тивления, состоящие из спечённых смесей окислов различных
тяжелых металлов (железа, никеля, кобальта, марганца, урана,
меди и др.)
Эти сопротивления имеют громадный и устойчивый отрица-
тельный температурный коэфициент, достигающий 2—3—5°/о
и более на один градус в пределах комнатных температур (точ-
нее от 0 до 80°). Абсолютное сопротивление этих приборов
зависит от их удельного сопротивления, которое обычно бывает
относительно высоким, и от их геометрических размеров; его
можно сделать от нескольких десятков омов до многих мегомов.
Обычно, чем выше бывает удельное (а следовательно и общее)
сопротивление, тем больше и температурный коэфициент его.
Термисторы в лабораторной практике могут найти самое
разнообразное применение в качестве термометров сопротивле-
ния, термореле, терморегуляторов и пр. В электроизмерительной
практике они могут заменять тепловые приборы малого потреб-
ления (термовольтметры), если их соединить с магнитоэлектри-
ческим измерительным инструментом и маленькой батареей из
сухих элементов. Они пригодны для изготовления вакууметров
и радиометров на разные диапазоны измерений.
Особенно большое внимание за последнее время привлекает
применение термисторов для изготовления высокочувствитель-
ных болометров для измерения слабых радиаций (до 10“ —10“8
ватт). В работах этого рода они конкурируют с термоэлектри-
ческими радиометрами, описанными в главе VIII. Вследствие
своего высокого сопротивления, они оказываются исключительно
удобными для присоединения на вход усилительных ламповых
схем, применяемых обычно для усиления фототоков (см. главу X).
Это позволяет автоматически расширить область измерений
в инфракрасную часть спектра, не действующую на фотоэле-
менты. В этом случае термисторы оформляются в виде малень-
ких приемников радиации с минимальной теплоемкостью, сое-
диненных по схеме компенсации, питаемой стабилизированным
источником постоянного тока.
ТАБЛИЦЫ ВАЖНЕЙШИХ
ФИЗИЧЕСКИХ ПОСТОЯННЫХ
ТВЕРДЫЕ ВЕЩЕСТВА
Удельный вес; коэфициент линейного расширения; удельная теплота;
теплопроводность; точка плавления; теплота плавления; точка кипения;
удельная магнитная проницаемость; удельное электрическое сопротивление
Вещество 1 Уд. вес при 1,8° Коэф, линейного расширения между 0° и 101° | Уд. теплота при 18° Теплопроводность при 18° Точка плавления
кал. кал.
0,0000 град.г .град, см °C
С СК.
Алюминии 2,7 238 0,214 0,43 660°
Барий 3.6 — 0,07 850
Бериллий 1.8 12 0,4 -— 1280
Бор 1.7 — 0,3 — 2400
Ванадий 5,5 — 0,11 — 1809
Висмут 9,8 134 0.0'9 0.019 271.0
Вольфрам 19.1 043 0,033 0.43 3400
Галлий 5,9 1S 0.08 29,7
Гафний 12 —
Германии 5,4 — о,ет — 953
Железо 7.8 12 0.111 ,14до,17 1533
Сталь 7,7 115 0,114 .06 „ ,12 1409
Чугун 7,6 — — — 1200
Золото 19,3 144 0.031 0,70 1063
Индий 7,3 5 0,05 — 154
Иод 4.9 9 0.05 — 113,5
Иридий '.2,4 065 0,032 0,34 2.340
Кадмий 8,6 316 0.055 0.22 320,9
Калий 0,86 .ч* 0.19 0,23 62,5
Кальций 1.5 —— 0,15 — 809
Кобальт 8,6 127 0.093 — 1480
Лантан 6.1 — 0.04 — 800
Литий 0,55 6 0,8 0.17 179
Магнезия 1.7 26 0,25 0,38 651
Марганец 7.4 21 0.12 — 1210
Медь 8,9 165 0,091 0.90 1083
Молибден 10 052 0,062 0,35 2600
Мышьяк 5,7 06 0.03 814
Натрий 0,97 7* 0,30 0,31 97,5
Неодимий 7,0 — — —. 840
Никель 8,8 131 0.106 0,14 1459
Ниобий 12,7 — — — 1700
Олово ... 7,3 230 0,054 0,15 231,8
Осмий 22,5 07 0,03 — 2700
Палладий . 12,0 119 0,058 0,17 1557
Платина 21,4 090 0,032 0,17 1770
Родий 12,3 086 0,053 0,30 1920
Рубидий 1,5 9* 0,08 — 38,7
Рутений .... 12,3 10 0.06 — 2500
Самарий . . . 7,7 — — — 1300
Свинец 11,3 292 0,031 0,08 327,4
Селен, металл . . . 4,8 66 0,08 —— 217,4
Сера ромбическ 2,07 9 0.17) 0,0095 112.8
„ моноклин 1,96 — 0,18| 119
Серебро 10,5 197 06 0,055 0.15 1,01 960,5 1420
Кремний 3,3
Теплота плавления Точка кипения Уд. магнит, пропин, при 18° Уд. элек. сопрот.
кая г СС 1 ; 1OZ 104., 1 1
94 1800° 0,62 0,027
— 1153 + 1.8 —
— — — 0,97 —
—— — — 0,7 —
-— — + 2 —
10,2 1420 — 1.3 1.17
— 4800 + 0,3 0.053
19,0 — — 0,225 —
—— —— ———
— — — 011 —
49 3000 0,098
— 0,10-0,70
пр. 30 — — .—.
15,9 2500 — 0,14 0,022
— — — 0,10 —_
— —— — 0,35 ——
— —— + 0,14 0.053
10,8 767 — 0,17 0,073 I
14 757 4- 0,6 0,070 1
— 1200 + 1.1 3,046
53 зэоо 0,07
—- — —
— >1400 + 0,5 0,093
— 1100 4- 0,7 0,044
.37 1900 + 9 —-
41 23ЭО — 0.С9 0,017
— 3560 + 0,6 0,054
—— — — 0,3 —
27 877 + 0,52 0,046
— — 4- 36 .—
65 3000 — ) 0.070
— — 4- 1.5 —
13,8 2270 4- о.оз 0.110
— - 4- 0,05 0,1
36 — -г 5,4 0.104
27 3300 4- 0,9 0.105
— —• 4- 1.1 0.047
— 696 + 0,08 —
— — + 0,9 —
- " — -
5,5 1525 — о.н 0.21
84 69J — 0.3 —
91 10 I 444,6 — 0,4 —
26,0 1950 — 0.19 0.016
— 0.1 1 —
* Между 0° п точкой плавления.
630
Продолжение
Г? со S й
О сс X * при е к SC О) »5 Е СК X S сх Е Ь с Е
Вещество вес пои ф. линей шипения 1 100е ез С Е О) с R С Е° *3 к <с Е «3 * «с Е со © CJ Е X магнит. 18е С © а CJ *2 сь
<Л с 5 Е X Е
Ь Е Ь ь Ь > Е >-
кв л. кал.
0,0000 град.г град.см °C кал/г •С 10е 7. 10* P.S
сек.
Стронций 2.6 — — — 8С0 — 1150 + 0,34 —
Сурьма Талий ............ 6,6 108 0,050 0,04 630,5 39 1440 — 0,82 0,40
11,8 32 0,03 0,09 302 7 1400 — 0,23 0,190
Тантал 16.6 065 0,036 0,13 2850 — — + 0,8 0,12
Теллур 6,2 17 0,05 — 450 — — — 0,3 —-
Титан 4,5 — 0,11 — 1800 — — + 2 —
Торий 11,0 12 0,03 — 1700 — — + 0,1 —
Углерод: Алмаз 3,514 013 0,12 — — — 0,5
Графит 2,22 08 0,2 0,012 — — — — 2 до — 14 10
1.9 2 до 3 0,2 0,0004 3860 — — — 2 —
Уран 18,7 — 0,03 — I860 — — + 3,3 —
Фосфор (белый) 1,8 — 0,2 — 44 5 287 — 0,9 —
Хром 7.0 085 0,102 — 1800 32 2200 + 3,5 —
Цезий . ..... 1,9 97» 0,05 — 29 3.9 670 — 0,2 —
Церий Цинк 6.8 —- 0,04 — 630 — — + 15 —
7,1 30 0,092 0,27 419,4 23,0 906 — 015 0,059
Цирконий (металл) 6,5 — 0,06 — 1930 — — + 0,1 —
Латунь (62Cu 38Zn) 8,1 до 8,6 185 0,093 0,15 до 0.30 ок. 900 — — — 0,08
Платина-ириций (10% 1г). 21,6 088 — — 1850 — — — 0,18
Бронза (84Cu, 9Zn, 6Sn, IPb). 8,7 175 0,09 0,14 — — — —
Инвар (64Fe, 36Ni) 7,9 016 0,011 — — — —— — 0,81
Константан (60Cu, 40Ni) . . . 8,8 152 0,098 0,054 —— — — — 0,30
Нейзильбер (62Cu, 15N5.22Z11) 8,5 18 0,095 О.О7 до 0,09 около 1000 — — — 0,45-0,51
Металл Розе. 10,7 — 0,04 0,04 95 7 — — —
Металл Вуда - . - 9.7 — 0,64 0,03 65дс70 8 — — 0,50
Берлинский фарфор Стекло йенское 16 2,29 2,6 030 081 0,19 0,0025 0,0023 (1550) — — — вд
Стекло йенское 59 2,4 059 0,19 0,0022 — — =— — —
Горный J “си ' ‘ ' }г,б5 2,20 2,71 144 080 Jo,179 0,016 0,030 — — }—0,5
хрусталь ) 11 • • • • * ( кварц, плавя . Известковый шпат 1 оси. . 005 —054 0,170 0,21 0,003 0,010 1700 — 2200 - 0.4
KNO, .... 2,09 69 0,23 — 335 26 — — 0,33
NaNO. 2,24 — 0,27 — 310 45 — - 0,31 —
КС1 1,98 —- 0,17 0,016 775 86 1420 — 0.46 —
NaCl 2,15 — 0,21 0,015 801 124 1440 — 0,5
NaSO« 2,65 — 0,23 — 884 —- — — 0,6
Фенол 1,08 — 0,56 — 40,5 26 183 —
Нафталин 1.14 — 0,31 0,0009 80,0 36 218,0 —
Бензофенон 1,08 — 6,38 — 47,2 21 305,9 —
Стеариновая кислота .... 1,0 — 0,40 — 68 48 370 — 0,8
Дифинил 1,16 — — — 69,0 28 255.4 — —
Бромбензол 1,52 — 0,23 0,0003 — — 156,1 —
Бромнафталин 1.50 — — — 68 — 280,4 —
Бензойная кислота 1,34 —— 0,30 — 121,4 — 249,0 —
Тростниковый сахар 1,58 — 0,30 — — — — — 0,57
* Между 0° и точкой ила вл.
** Сопротивление алмаза lyiOlf, стекла йенского (16) 5Х1018. хрусталя (£ оси) ЗуЮ1®,
хрусталя (|| осп) 1><10м и плавленого кварца 5X10*' омов.
631
жидкости
Удельный вес; капиллярная постоянная; вязкость; тепловое расширение
удельная теплота; точка плавления t и ее понижение М путем раство-
рения 1 г.-мол. в 1000 г; теплота плавления
Удельный вес при 18® Капиллярная постоянная при 18® Вязкость фо)Х Х10« при 18е Коэфициент расширения при 18° Удельная теплота при 18® Точка плавления t •** Теплота плавления
днн|см г/см.сек 0,00 кал/г.гр кал/г
1 1-Амнлалкоголь ...... 0.81 24 4.86 0 93 0,50 — 117°
2 1-Амилацетат 0,88 24 0,90 — — — — —
3 Авнм бензойный 1,01 24 085 __
4 Анилин 1,02 43 4,6 085 0,50 — 6,2 — 5,9° 21
5 Ацетон 0,79 23,3 0,337 131 0,520 — 94,3 — —
6 Бензол 0,881 29,0 0,673 1 24 0,407 -1- 5,50 - 5,1 30,4
7 Бром 3,12 44 1,02 1 12 0,11 - 7,3 — 9.7 16,2
8 Бромоформ 2,892 — — 09 — + 7,6 — 14,4 —
9 1-Бутилалкоголи 0,804 22,8 3,15 109 0.6 —- — —-
10 Вода’ 0,999 72.8 1,05 018 0,999 0 —1,85 79,7
11 Глицерин 1,26 66 1070 050 0,58 — 20 — 42
12 Иод-метилен 3,27 —. —. 0 82 + 5 — —-
13 Касторовое масло 0,961 — 1060 069 0,43 — —— —
14 Керосин 0,8 26 — 092 0,51 — —
15 ш-Ксилол 0,852 28,4 0,647 101 0,40 — 49,3 — 39
16 Метила лкоголь 0,803 22,8 0,632 1 22 0,60 — 97 — —
17 Метилацетат 0,936 24,1 0,395 135 — — 98,5 — —
18 Метилбеизоат 1,10 38,3 2,07 090 —. —* — —
19 Метил иодистый . . . 2,27 — 0,504 121 — — 64 — —
20 Муравьиная кислота . . . 1,22 38 1,92 099 0.53 + 8,0 — 2,8 56
21 Мышьяк треххлористый . . 2,18 40 102 0,17 — 18 —
22 Нитробензол 1,21 42,2 2,06 085 0,34 + 5,7 — 7,0 22
23 Оливковое масло 0,915 33 072 0,47 — —« —*
24 Пентан 0,628 — 0,244 160 0,52 —160 — —
25 Пиридин 0.986 36,2 0,9 — 0,40 — 56,2 — —
26 Пропионовая кислота . . . 0,988 26,4 1,12 109 0,51 — 22 —
27 Пропиловый алкоголь. . . 0,805 23,6 2,39 095 0.57 —127 —
28 Ртуть 13,551 500 1,59 0182 0,0333 - 38,87 2,8
29 Сероуглерод 1,265 32 0,382 1 21 0,24 —112,0 — 3,8
30 Терпентиновое масло... 0,87 27 1.9 0 94 0,42 — — —
31 Толуол 0,89 28.6 0.613 1 09 0,414 — 95,1 —
32 Углерод треххлористый. . 1,596 26.5 1,01 123 0,20 — 22,9 — 29,8 41
33 Уксусная кислота 1,053 26 1,27 107 0,50 + W,6 — 3,9 45
34 Фосфор треххлорнстый . . 1,58 28 120 0,20 — 112 — ——
35 Хинолин 1,094 45 — — — — 23 — —
86 Хлорал 1,512 24,6 093 0,24 — 57,5 —
37 Хлорбензол 1,108 33,7 — 108 0,32 — 45,5 —. ——
38 Хлороформ 1,493 27 0,597 126 0,234 — 63,7 — 4.7 47
39 т-Хлортблуол 1,072 — 0,35 — 47,8
40 Этилалкоголь 0,791 22,0 1,22 110 0,58 Г- 114 — —
41 Этилацетат 0.900 23,4 0,464 137 0,48 — 83,6
42 Этил бензойный 1,06 35 2,25 091 — — 34,2 —
43 Этил бромистый 1,46 — 0,403 137 0,21 -125 —
44 Этил иодистый 1,93 29 0,602 116 0,16 —108 —
45 Эфир серный 0.717 17,0 0,238 163 0,56 —116,3 — 1.8 27
632
ЖИДКОСТИ (продолжение)
Норм, точка кипения t,; ее повышение: of1t путем повышения давления на
1 мм ртутного столба, и путем раствора 1 г.-мол. в 1000 г; теплота паро-
образования; критические числа; диелектрическая постоянная; уд. магн.
проницаемость; показатель преломления при 20° по отношению к воздуху
для D (Na)
Точка кипения К х । Теплоте пяро- g 1 обр. в норм. | | т. кипения Крнтич. темперят. 1 Крнтич. давление 1 Диэл, постоян. 18е Уд. магн. прониц. 10° Z Показят. преломл.
м Hg Р
1 CsHi.O 131.50 140 4-0,039° 4-2,6° 125 307° 6 — 0.8 1,414
2 CyHuOs 326 4,8 5,0 7,3 21,5 1,4005
з С12нГ6о8 260 — 1,494
4 ' 184,2 56,7 80,2 4- 0,051 4-0,039 4-0,043 4-3,2 4-1.7 4-2.7 4-5,2 104 426 40 — 0,70 1,586
6 С3Н О 125 235 4<) 1,539
6 C6Ht 94 288 36 2,3 — 0,76 1,501
7 Br2 ”. 63 43 302 3,2 —0,40
8 CHBrs 150,5 105 4,4 — 0,34 1,5455
9 C4H1(O 4-0,036 4-1.9 136 270 37 18,9 — 0,83 1,396
10 Hao 100 4-0,037 4-0,52 539,1 374 156 81 — 0,72 1.333
11 C,HhO3 290 56 — 0.64 1,471
12 CHB'js ". 181 1,742
13 Касторовое масло .... 4,6 — —
2,1 2,4 32 — 0,91 —
15 C6Hie 138,5 4- 0,056 4-0,037 81 330 27 — 0,80 1,5164
16 CI 1,0 64,7 4-0,9 265 240 60 — 0,72 1,329
17 CsH6O2 57,2 4-0,039 4-2.1 97 234 35 7,5 6,6 7,1 58 — 0,66 1,362
18 C6HsOa 199,5 1,5164
19 СНУ 43 4-0,041 4-0,044 4-4,3 4-2,4 46 255 1,74
20 CHjOj 101 120 -0,47 1,3714
21 AsaCl, 130 -J-0,054 4-7.2 44 356 13 — —
22 C6Hb62N 210 -J* 5>0 36,4 1,5529
23 Оливковое масло .... 27,9 3,1 —
24 CSH,S 4- 0,039 201 33 **> — 1,3564
25 CSHSN 117,5 4-2,9 102 (344) 45 12 1,509
ге.с.но 140 4-0,041 4-3,5 91 336 40 3,1 — 1,3868
27 C,H6O 96 4-0,036 4-1,6 163 260 39 22 — 0,80 1,386
28 Hg 356,7 4-0,074 68 1470 — 0,18 —
29 CS3 46,2 4- 0,041 4-2,4 85 273 55 2,6 — 0,60 1,63
30 с,,!!,, 161 4-0,057 70 (376) 2,3 — 1,48
31 C,He 110,8 4-0,045 87 320 32 2,3 — 0,78 1,4962
32 СС14 76,7 4-4,8 46 283 34 2,2 — 0,45 1,4607
33 С..Н4О2 118,5 4-0,043 4-3.1 90 322 43 9,7 — 0,57 1,3719
34 PCI, 75 4-4,7 51 285 4,7 —— —
35 CjHjN 238 <500 9 _— 1,6283
36CJTOCI, 98 54 6.7 1,4557
37 С.Н.С! 132,0 4-0,048 361 34 10,7 — 1,525
38 chCi. 61,2 162 78,3 77,1 213 4-0,042 4-3,6 58 260 42 5,2 — 0,54 1,447
39 С7Н,С1з — 1.523
40 CaH6O “ 4-0,034 4-0,033 4-i.ic 4-2,5 202 243 48 26 — 0,75 1,363
41 C4H,.O3 88 250 29 6,1 — 0,6 1,3727
42 CpH„6, 6.0 — 1,4239 1,512 1,354
43 C2H-Br 38 4- 0,039 4-2,8 59 231 46 9.5 —
44 CJ 0 j 73 4-0,044 4-5,2 47 (281) 7.4 —
«С„Н.ЬО 34.6 4-0,040 4-2,1 90 194 27 4,3 — 0,9
633
ГАЗЫ
ГАЗЫ
Удельный вес (вес литра); коэфициент расширения; теплопроводность;
удельная теплоемкость; критическое состояние; точка плавления
rt О 03 c л CJ Со 5£О0 Ср/Су Критическое состояние tjq
Cl ад,
о X eg. о
Вещество oil *=» H E (j Е ~ *3 и
« Cl Ь к Н с?" тем- ч
HUH IO fiDn.'ltlL
S &S кал. на перат. I «3
Вес Коз 0—1 см сек Гр кал. на г Гр Точ1
Г j 0,00 0,000 1 м Hg °C °C
1 Воздух, без СО., 1,2928 3674 0565 0,241 1,40 28 — 141
2 Кислород 1,4290 | 3674 0572 0,218 । 1,40 33 — 119 — 218 — 250 — 209.9 — 259
3 Озон 4 Азот 2 22 1*2507 : 3674 0567 0,249 1,40 25 — 5 — 147
5 Водород 0,0898/ ' 3662 376 3,41 1.41 10 — 240
6 Гелий 0.178а 3660 338 1,25 1,66 2 — 268 Mill ® !£><£> CD №
7 Неон 8 Аргон 0,900 1,783 3661 i 3371 109 0389 — I 0.127 1,64 1,65 20 3S — 228 — 122
9 Криптон 10 Ксенон 3.708 5.851 i — — 1.68 1,66 41 43 — 63 + 17
11 Хлор 12 Фтор 3,220 1.71 018.3 0.124 1.36 58 + 144 — 100
13 Хлористый водород .... 1.6391 — — 0,194 1 40 62 + 52
14 Бромистый водород.... 3.6442 — — 0,082 1.42 64 + 91 — 88 — 51
15 Йодистый водород .... 5,789 — — 0,055 1.40 — + 151
16 Сероводород 1.5393 — 0304 0.26 1 34 63 + 100 — 83
17 Селеновый водород. . . . 3,6643 — — 69 + 133
18 Теллурводород 5,76 — _ - 53 — 132 — 113
19 Фосфористый водород . . 1,5293 —- 49 + 51
20 Мышьяковистый водород . 3,50 —
21 Окись углерода 1,2502 .367 052 0,250 1.40 26 — 1.39 СП [х. QT b 1 1 1
22 Двуокись углерода .... 1,9768 3726 С.331 0,202 1 30 4- 31
23 Сернистый карбонил . . . 2.721 — —- 46 4- Ю5
24 Фтористый кремнии . . . 4,69 — 38 — 1
25 Фтористый бор 3,00 — — — — 127
26 Закись азота 1.9777 3>S 0351 0,210 1 28 54 1 ! .33 — 102 — 167 — 106 — 10 — 65
27 Окись азота . 28 Трехокись азота 1,3402 — 0555 0,242 1,33 54 — 93 + 36
29 Перекись азота — - ___ 76 + 158
30 Хлористый иитрозпл ... 2,2919 — — — — + 167
31 Аммиак 32 Сернистый ангидрид . . . 0,7708 2,9267 3802 385 049 0195 0,52 0,154 1.31 1.29 85 59 + 1.33 + 157 - 78 ।
33 Ацетилен 1,171 .—- 044 0,402 1.24 47 + 35 — 81 1 169
34 Этилен 1,260 — 040 0.365 1.25 .38 4- 10
35 Пропилен . . 1,95 — — — 34 + 91 <—192
36 Метан 0.7168 — 074 0.53 1.31 35 — 82 1R4
37 Этап 38 Пропан 39 Бутан 40 Изобутан 1.356 2.019 2,675 2,668 — 2 111 0,413 1,20 1,15 1.П 37 34 28 28 4- 32 + 9S + 153 + 134 — 172 <—188 — 135 —145
41 Метиловый эфир 2,1096 40
42 Хлористый метил 43 Хлористый этил 2,308 2,8804 022 0,18 1,24 1,16 50 40 + 143 + 187 — 104 —1.39
44 Фтористый метил 1,5451 - 1 == 51 + 45 — 142
* При давлении в 25 атм.
Точка кипения и ее повышение путем увеличения давления на 1 мм ртут-
ного столба; плотность в жидком состоянии; теплота парообразования;
коэфициент трения; показатель преломления; диэлектрическая постоянная;
удельная магнитная проницаемость; абсорбция в воде
Вещество К В ио киг S к рм. Т. WH. о it трения 5 преломл., 0°, 760 мм ческля ’ 760 мм огнитияя , 10*! 7. 18° 1 литр воды растворяет при давлении в 1 атм. см* (0° 760 мм)
Точка кипе ч* Плотн. в и КОМ состоя Теплота ns образован. о к к а- лс Показател! D — линии Диэлектрн1 достоян. О' Удельная * проницаем Ь Е* при 20е
1 Воздух 2 Оа 3 0 4 Ns 5 IL 6 Не 7 Ne 8 Аг 9 Кг 10 X 11 Cis 12 Fs 1.3 НС1 14 HBr 15 HJ 16 HsS 17 H .Se 18 HoTe 19 H3P 20 HjAs 21 CO 22 CO 2.3 COS 24 SiF« 25 BF3 26 N.O 27 NO 28 N.O3 29 N .O 30 NOC1 31 Nil. 32 so; 33 CjHs 34 C2H. 35 C3H6 - 36 CH, 37 CH,. 38 C3H, 39 C,Hi() 40 C,IIJc) 41 (CH,)aO 42 CHjCl 43 C2H,C1 44 CHaF — 19.3 —183,0 — 112 — 195,8 — 252,8 — 268.8 — 245,9 — 185,8 — 152 — 1C9 — 34,5 — 187 — 85,0 — 68 — 36 — 61.5 — 41 — 0 — 87 - 55 — 190 — 78,5 — 101 — 90 — 150 — 2 + 21 — 5,5 — 33,5 — 10,0 — 83,6 — 104 — 48 —161.5 — 84 — 44.5 + 0.5 — 11 - 2.3 - 24.1 + 12,8 — 78,2 0°,0 13 11 05 01 12 33 27 21 11 16 23 11 30 29 21 16 30 о О О О О 1—0 h- CJ U5 о рр 1 Гя 1 1 1 1 1 ij 21 S1 'й 1 1 1 1 1 1 1 1 й'з 1 1 1 1 1 II k'&tsss; S3 1 S 1 2? кал/г 50 51 48 ПО 67.5 99 35 132 142 327 96 97 128 CGS 0.000 172 192 167 084 189 298 210 233 211 129 14 116 107 147 167 140 138 172 093 120 094 097 104 085 100 094 1.00 0292 0271 0298 0139 0034 0067 0282 0428 0703 0781 0195 0447 0613 0921 0640 079 0335 0450 0508 0294 112 0379 0661 058 069 11 0444 076 0870 118 1.0 0059 0055 0061 0026 0007 - — 03 - 0069 0096 — 0114 072 095 0145 0094 147 + 23.9 +107 — 0,265 - 1,98 —10 — - 5,9 — — 0.59 - — 0.42 — - 0,43 +48’L — о,оз — 0.28 — 1.1 — 0,30 + 1 + £ — 0.67 29 48,9 23,5 21,1 15,0 56 120 219 4600 500000 610000 4600 35,4 1700 1300 1200 73,8 1300000 80000 1730 226 446 55,6 98,7 19 31,0 15.4 18.1 13.8 17 38 73 111 2300-* 440000=» 550000** 400000** 2600 23.2 №=« 560 630 47,1 700000» 39000** 1030 122 220 33,1 47,2
* Тверд.
** Не следует абсорбционному закону Генри.
631
635
ПРЕДМЕТНО-АЛФАВИТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Аберрации — линзы 383
Адсорбция газов 112
Алмазная пила 45
Алунд 510
Алюмель 518
Амброид 255
Амортизированные установки 585 и
след.
Апье зоновые масла 548
Астигматизм 58, 383 и след., 483 и
след.
Аэрозоль 153, 306
Баббит 615
Бакелит 549
Банд — лампа 336
Бани для высоких температур 517
Баретер 336
Бедный газ 7
Безвибрационные подставки 585—587
Блаугаз 7
Блокировка 90
Болометры высокочувствительные 628
Брешира — способ серебрения 154
Бронза 541
Брумберга — светофильтр 365
Вакуумная электропечь 511
Ваку у метры 139—169
Вакуумная замазка, прозрачная 132
Вакуумные линии 103
Вакуумные системы, статические
и кинетические 112—114
Вводы платиновые, вольфрамовые,
молибденовые 32, 33
Вентили для вакуума 135
Вероятность срабатывания счетчика
293
Вес готовой отливки 614
Весы крутильные 216 и след.
Вибрации — установки 585
Вильсона — электрометр 227
Внешний фотоэффект 391 н след.
636
Вогнутая решетка — фотографирова-
ние спектров 482
Водоструйный насос 506
Воздуходувки 11
Волластонова нить 254, 532
Вольфрамовые лампы 334
Впекание для покрытия 151
Время релаксации при теплопере-
даче 486 и след., 493
Вторичная электронная эмиссия 405
Вульфа — электрометр 228
Выделение остаточных лучей — при-
бор 375
Выделение спектральной полосы фо-
кусировкой 373
Выдувание шариков 29, 30
Выпрямители твердые 626
Высыхание дерева 544
Вытягивание кварцевых нитей 207
и след.
Вязкость стекла 14—16
Вязкость твердых тел 196
Газовая горелка ручная 505
Г азовый термометр— дифференциаль-
ный 515 и след.
Газотрон 620
Гальваническое покрытие металлом
161
Гальванометр — повышение чувстви-
тельности 316 и след.
Гальванометр — увеличение отклоне-
ния 434
Гартмана — метод (испытания опти-
ки) 67
Гелиостат 233 и след.
Гель кремневой кислоты ПО
Геттеры ПО, 313
Гиперсенсибилизация 454
Гипс 90, 552
Гипсовый раствор — приготовление
591
Гликольфталат 132, 550 и след.
Глицериновый цемент 552
Глянцевитые отпечатки 476
Горелка Бунзена 503
Горелка Мекера 504
Горелка Немзера 9
Горелка стеклодувная 6—9
Горелка ручная 198
Горючие газы 504
Гофмана —электрометр 238 и след.
Давление паров замазок 109
Денситометры 432
Дерево —его свойство 541 и след.,
545
Десенсибилизация 465
Дестилляция щелочных металлов 522
Детекторы 627
Двухступенчатые насосы 107
Диаметры молекул 101
Динатронный эффект 405
Диффузионный насос 103,11а и след.,
120
Длина свободного пути 100
Древесный уголь — поглощение им
газов НО, 111
Дрефт 153, 305
Дубящий раствор (для фотоэмульсий)
468
Дуговая печь 512
Дутье 11 и след.
Дюралюминий 540
Емкость электронной лампы 426, 623
и след.
Желатина — сморщивание 455
Железная дуга 341
Жидкое стекло 552
Жидкости с большой плотностью и
большим показателем преломления
563
Жировик (магнезит) 557, 618
Жолуди 622
.Зазор в паромасляных насосах 120
Закон взаимности в фотографии 444
Замазки—давление паров 109
Замазки вакуумные 109
Замазка универсальная 546
Замазка Котинского 547
Заменители дерева 545
Запаивание трубок 23
Звездная величина 388
Звезды —их излучение 388
Звезды типа Солнца 389
Зеркала медные 159
Золотые листочки — крепление 253
Золочение зеркал (по Вернике) 157
Золочение химическое 157
Зональные дефекты 64
Зубной цемент (цинковый) 553.
Идеальные газы 96, 102
Изготовление термоспаев 306 и след.
Излучение — коэфициент 500
Излучение — перенос тепла (реше-
ние) 498
Излучение резонансной линии ртути
346
Излучение черного тела 499
Измерение спектрограмм 331
Измерение скорости откачки 103
Изоляторы 255
Импульс отрицательный 275 и след.
Инвар (сплав) 535
Инфракрасная область спектра 356
Инфракрасный свет — фотографиро-
вание 478
Ионизационный манометр 139, 140,
143-145
Исландский шпат (кальцит) 90, 92,
93
Испарение алюминия 173 и след.
Испарение металла в вакууме 171
Источники высокого напряжения 287
Кажущиеся течи 125
Калибры 571
Калиевый светофильтр по Вуду 354
Кальцит (исландский шпат) 90
Каменная соль (обработка) 93
Капилляр 22—25
Карборунд 50, 52, 53, 87
Карбюратор 7
Кардиоидный ультрамикроскоп 561
Катодное распыление 164 и след.
Кварц 90, 93
Кварцевые нити 197 и след.
Кварц плавленый 192
Кварц плавленый — термические
особенности 193
Кварц плавленый — упругие свой-
ства 194
Кварц плавленый — электрические
свойства 197, 356
Кварц — прозрачность в и.-к. области
358
Кинематика конструкций 579
Кинетическая теория газов 102
Кислородно-ацетиленовая горелка 506
Кислород сжатый 14
Кнудсена — манометр 139, 140,149,150
Ковар (сплав) 35
Кокосовый уголь 111
Кольцевая спайка 28
Комптона — электрометр 235
Конструкция паромасляных диффу-
зионных насосов 115—120
Континуум — водородный и гелие-
вый 347, 348
Контрастность фотоэмульсии 442
Косые зеркала 45
637
Коллоидальный графит о57
Коллоидальные растворы — шелла-
ка 558
Коллоидальные растворы — металлов
по Бредигу 558
Коллоидальные растворы — теллура
559
Коллоидальные растворы — красного
фосфора 56!
Конвекция тепла 497
Константан 536
Константы излучения 500 и след.
Коэфициент трения 555 и след.
Коэфициент скорости откачки J03
Коэфицненты пропускания у.-ф.
света для стекла и целлофана 352
Краны для вакуума 134
Красная граница фотоэлеменгов 401
Кремневая кислота —гель НО
Крест нитей 215
Кривые почернения 442
Кривые Хертера и Дриффильда 441
Крокус 57, 58, 87
Кружок Эри 383
Крутильные весы 216
Лак глипталевый 109, 138,
Лак янтарный -255
Лакировка зеркала 157, 158
Лампа натриевая 346
Лампа электрометрическая 406, 408,
415, 623
Лангмюира — манометр (вязкое гнын)
139, 140, 147, 148
Латунь 540
Лигатуры 618
Линдеманна — электрометр 242
Линзы для и.-к. области 357
Линза Шмидта 97
Ловушки 112
Ловушки для масел 126
Ловушки для ртути 124
Логарифмическая характеристика уси-
ления 434
Люцит — органическое стекло 551
Магнезит (гальк, жировик) 174, 557,
618
Магнитные материалы 536,537 и след.
Мак-Леода — манометр 139—143
Масла для диффузионных насосов 118
Малогабаритные электронные лампы
622
Машина Дрепера 47
Медные зеркала по Френчу 159
Мениск Максутова 96
Мерительный инструмент 572
Металлизация кварцевых нитей 204
Металлы группы платины 531
Металлы — тугоплавкие 533
Металлы — щелочные и щелочно-
земельные 521 и след.
Метил метакрилат 551
Методы испытания оптики (Гартмана,
Рончи и Фуко) 67 и след.
Методы фотоэлектрической фотомет-
рии 430
Микроманипулятор 205 и след.
Минимум отмечаемой энергии радиа-
ции 326
Минутник (наждак) 53
Модель восковая 588
.Модели для отливки в землю 595 и
след., 601 и след.
Молибденовое стекло 5
Молибденовые вводы 32
Монохроматор водяной 372
Монохроматор зеркальный 370 и след.
Монохроматоры 367 и след.
Мооса — шкала 39
Мультивибратор 280
Нагреватель с накаленной проволокой
201, 307
Наждак (отмучивание) 53
Наждачная пила 45
Натриевая лампа 346
Насосы диффузионные — пароструй-
ные 115 и след.
Насосы (форвакуумные) 105
Натяжений — наблюдение 380
Неустановившийся режим теплопро-
водности 489
Низкие температуры 502
Нить Волластона 532
Нонекс — стекло 5
Обдирка 42 и след.
Обезгаживание стекла и металлов 108
Объектив Шмидта 95—98
Обрезание трубок и бутылей 16
Обрезка трубок 24
Одноступенчатые насосы 107
Окошки в вакуумных приборах 131
Окошки для и.-к. и у.-ф. областей
357
Окошко термоэлектрорадиометра 311
Омеднение зеркал 160
Определение числа импульсов 272 и
след.
Оптическая регистрация 385 и след»
Оптическая сила линзы 382 и след.
Оптическое усиление 317 и след.
Осаждение металла — гальваническое
161
Ослабитель растровый 483
Ослабитель ступенчатый 482
Основное дифференциальное уравне-
ние теплового состояния 489
Остаточные лучи 360
638
Отжиг стекла 14, 16, 21
Отливка —вес 614
Отливка — в землю 595
Отливки — по восковой модели 592
и след.
Откачка — скорость 102
Отмучивание наждака 53
Отражение света от металлов 367 и
след.
Отражение от кристаллов в и.-к.
облаети^359
Охлаждение фотоэлементов 417 и
след.
Очистка зеркал 170
Очистка стекла 17
Очистка стекла для зеркал 152—154
Очистка ртути 530
Охлаждающие смеси 502
Ошибка счетчика 293
Параболизация зеркал испарением
182 и след.
Паста ГОИ 94
Паяльная трубка 503
Перегонка натрия 524
Передача тепла — конвекция (реше-
ние) 498—501
Периодические изменения темпера-
туры при теплопередаче 494
Пережигание проволочек 340
Перенос тепла излучением 501
Перукка — электрометр 241
Печатание фотоснимков 473
Печи для плавления 507 и след.
Печь для прокаливания в водомде
510
П ирани— манометр 139— 141,145—147
Пирекс 5
Пирометр оптический 520
Пицеин (склеивание) 132, 548
Пламя для получения спектров 350
Пластинки в 1.'4, 1-а и 1 длины волны
379
Пластинки Шумана 445
Платинирование 152
Платиновые вводы 32
Пленки тонкие 321
Плоские нити и трубки из кварца
213 и след.
Плоскопараллельные пластинки 90
Подвесы 585 и след.
Подвесы для электрометров 214
Подставка гальванометра 320, 585, 587
Подшипники баббитовые 615
Показатели преломления солей и квар-
ца 353
Покрытие впеканием 152
Покрытие испарением металла 171
Поливинил — ацетат 549
Полимеризующиеся замазки 549
Полировальник 41, 54, 56, 57, 59— 61,
63, 86, 87
Полировка металлов 94
Полировка стекла 38—40
Полупрозрачные зеркала 157—186 и
след.
Получение асферических поверхно-
стен испарением 191
Поляризация в у.-ф. области 35S
Поляризация света 374
Полярископ 377
Порог видимости 439
Порог спектральной чувствительно-
сти фотопластинок 441
Порог чувствительности фотоэлемен-
тов 393
Пористый геттер 111
Постоянные температуры 513
Предел точности при усилении тока
429
Предел обнаружения звезд 389
Предел чувствительности приемника
радиации 387
Пределы чувствительности електро-
метров 248 и след.
Прибор Нюренбсрга 381,383
Приборы электронные и ионные 619
Приемник радиации 309
Приемы шлифовки 49
Призма поворотная 385
Призма полного внутреннего отраже-
ния трехгранная 385
Призмы для и.-к. области 357
Призмы для у.-ф. области 352
Призмы (изготовление) 88 и след.
Призмы Николя 376 и след.
Припои 539 и след.
Припой слабый 573 и след.
Припой крепкий 575 и след.
Проверка натяжений в стекле 91
Проводимость вакуумных линий 103
Прогибы 577 и след.
Прозрачная вакуумная замазка 132
Прозрачность воды 362
Прозрачность кварца для и.-к. области
358
Прозрачность нитроцеллюлозы длл
и.-к. области 358
Прозрачность объектива — спектраль-
ная 449
Прозрачность органического стекла
551
Прозрачность парафина для и.-к.
области 358
Прокаливание в водороде и в ваку-
уме 510 и след.
Промывание фотоснимков 458
Пропитывание дерева 544
Просветленле оптики 189
639
Прочность дерева 544 и след.
Проявление 460 и след.
Проявление после фиксирования —
рецепты 478
Радиация общая 500
Радиометр — резонансный 319
Развязывающие фильтры 426
Разогревание стекла 18
Разрезание стекла 42
Разрешающая сила фотоэмульсии 445
Разрядная трубка 138
Распределение температуры в пла-
мени 505
Распределение температуры в воль-
товой дуге 507
Распределение энергии ламп — спек-
тральное 449
Расчет толщины покрытия испаре-
нием 180 и след.
Расширение линейное материалов 543
Расширение от нагревания 13—15
Регистрирующие оптические системы
385
Регистрирующий спектрофотометр
432
Регулятор напряжения 289
Резание металлов 564 и след.
Резец для металла 566
Резина в вакууме 128
Резиновые шланги 129
Резиновый клей 552
Реле 317
Ретушевка оптических поверхностей
47
Ретушь 58, 61, 62
Рецепты проявителей 463 и след.
Рончи — метод испытания оптики
66 и след.
Ртутная дуга высокого и сверхвысо-
кого давления 343
Ртутная дуга низкого давления 341
Ртутные линии — выделение 366
Ртуть—очистка, свойства 530
Ртуть — давление паров 531
Самописец — установка 386, 459
Сбалансированная схема лампового
электрометра 412
Сварка термоспая 312
Сварка точечная 576
Сверление отверстий в стекле 44
Светопровод из кварца 217
Светофильтр водяной 451
Светофильтры Христиансена и Брум-
берга 363 и след.
Светофильтры для видимой части
спектра 362
Свечение паров натрия — резонанс-
ное 527
Сгибание трубок 20
Сегнетова соль для серебрения 156
Сенсибилизация 453
Сепиолит 616
Серебрение 154—156
Серно-калиевый фотоэлемент 402
Серно-серебряный фотоэлемент 403
Серно-талиевый фотоэлемент 403
Сетка Ауэра — Вельсбаха 336 и след.
Сильфон 135, 136, 540
Синдетикон 552
Сито — номер 612
Скорость катодного распыления 167
Скорость откачки 102
Слюда — расщепление и эталоны 380
Смазка 554
Смола для полировки стекла 54 и
след.
Сморщивание желатины 455
Соединения в вакуумных системах
129 и след.
Спай — медь-стекло 35
Спай — фарфор-пирекс 36
Спаивание стекла 26
Спектральная полоса — выделение
373
Спектральная прозрачность 354
Спектрофотометрия 431
Спектр водорода — непрерывный 346
Спектр электромагнитный 333
Спектральная чувствительность фото-
эмульсий 440
Спектральное распределение энергии
ламп 449
Спектры линейчатые 349
Сплавы для термопар 536
Сплавы для электросопротивлений 536
Стабилизаторы напряжения 625 и след.
Стабилизация температуры 437
С ганок полировальный с ручным ры-
чагом 85
Станки — токарный и фрезерный 564
и след., 567 и след.
Стекло органическое 551
Стекло для стеклодува 5
Стеклянная спираль 21
Столярный клей 553
Стягивание стекла 21, 31
Стеклодувная работа 6, 8
Ступенчатый ослабитель 482
Суппорт крестовой 571
Суппорт для кварцевых нитей 200
Сурмяно-цезисвый фотоэлемент 397,
400
Сушка подложек для покрытия 168
Сушка фотоснимков 469
Сушители 112
Сферометр 51
Счетчики — быстрые и медленные 282
Счетчики частиц 258 и след.
€40
. Счетчик пропорциональный 259
Счетчик Гейгера-Мюллера 261 и след.
Счетчик Г.-М.— технология 265—258
Счетчик Г.-М. — чувствительность 570
Счетчик Г.-М. — конструкция 265,
276 и след.
Счет совпадений 285
Талофиды 403
Тальк-магнезит 53, 556, 618
Талькохлорит 558, 618
Твердости шкала 39
Температура проявления 452
Температура — измерение ее 518
Температуры стандартные 514
Температуропроводность 486
Теплоизолятор 502
Теплонепроницаемые стекла 362
Теплопередача — режим 485
Теплопередача — шар (решение) 495
Теплопроводность материалов 101,
485, 543
Теплопроводность — бесконечно тон-
кий слой (решение) 490
Теплопроводность газов 101
Термисторы 628
Термометр — графитовый с оловом
518
Термометр с галлием 518
Термопара — конструкция и откачка
303
Термопары — материал для них 518,
519, 536
Терморегулятор 517, 628
Термоспаи 304
Термостаты 514 и след.
Термос лектрорадиометры 299
Термос лектрорадиометры — абсолют-
ная чувствительность 326 и след.
Термоэ лектрорадиометры — конструк-
ция и технология 309 и след.
Термоэлектрорадиометры — расчет и
конструирование 323 и след., 328
и след.
Термос лектрорадиометры—получение
вакуума 303
Термоэлектрорадиометр — чувстви-
тельность 389 и еле а.
Термоэлементы — изготовленные ис-
парением или распылением 320 и
след.
Термоэлементы — особо чувствитель-
ные 214
Течи 137 и след.
Течи в вакууме 137
Течи кажущиеся 125
Тигельная электропечь 509
Типы электрометров 252
Тиратрон 435, 625
Токи Тесла для вакуумных работ 137
Тонкая шлифовка стекла 52 и след.
Тончайшие нити — уход и хранение
209, 211 и след.
Тончайшие пленки — изготовление
321 и след.
Точечная сварка 576
Увеличение отклонений гальвано-
метра 434
Увеличение фотоснимков 476
Угольная вольтова дуга 338
Ультртфиолеговая область спектра 352
Уплотнение' в вакуумных приборах
131 и след.
Усадка при отливке 599
Усиление оптическое 317
Усиление фотографий 477
Усилители переменного тока 424
Усилитель постоянного тока 406
Усилитель постоянного тока — повы-
шенной мощности 422
Усилительные лампы с малым сеточ-
ным током 420
Ускоренный метод фотографирова-
ния 471
Установка фотоэлемента 417
Фанера 544
Фактор формы при теплопередаче
485
Фазосдвигатель — управляющий ти-
ратроном 436
Фернико (сплав) 35
Физическое проявление 477 и след.
Фиксирование — рецепт 457
Фильтр Для выпрямителя 288
Фильтры для у.-ф- области 353
Флуктуации фототока 410
Флюсы 575, 578, 618
Флюс для паяния 573, 575
Фокусировка 4)2
Формула Планка 499
Фотовспышка 450
Фотографическая регистрация 415
Фотография в и.-х. свете 478
Фотография в у.-ф. свете 479
Фотографирование приборов 479 и
след.
Фотографирование спектра 480, 433
Фотографическая фотометрия 481
Фо годинатрон 404
Фотометрия 429
Фотометрия фотографическая 481, 483
Формовка для ог.'шгох 588, 605
Фотореле для точных отсчетов откло-
нения гальванометра 317 и след
Фотосонрогивлення серно-талиевые
403
фотоэлектрический ток — усиление
40э
<1 Стронг
641
Фотоэлементы вакуумные и газона-
полненные 395 и след.
Фотоэлементы для у.-ф. области
393
Фотоэлементы — „инерционность* 397
Фотоэлементы — новые типы 400 и
след.
Фотоэлементы с запорным слоем 393,
402 и след.
Фотоэ лементы селеновые 399
Фотоэлементы — спектральная чувст-
вительность 390 и след.
Фотоэлементы сурьмяно-цезиевые 397,
400
Фотоэлементы —ток утечки 394 и след.
Фотоэлементы — цезиевые 393, 400
Фракционирующие паромасляные на-
сосы 120
Фраунгоферовы линии 332
Фталевый ангидрид 133, 551
Хлористое серебро как замазка 549
Химическое покрытие металлом 152
Холодная ртутная лампа 346
Хромель (сплав) 518, 536
Цветовая температура 431, 449, 451
Целлофан — прозрачность 352
Центрировка оптической системы 84
Церезин 197, 256
Черное тело 498, 500
Четкая запись 481
Чувствительность фотоэмульсий 440
Чувствительность электрометров 222
и след., 231, 235, 237, 243 и след.
Шарики — выдувание 29, 30
Шарики стальные (размеры) 585
Шварцшильда — уравнение 445
Шеллак 547
„Ширина” фотографической эмульсии
412
Шишки для отливок 598
Шлифовальник 49, 51, 87 и след.
Шлифовальник пружинящий 44
Шлифовка стекла 38 и след., 50 и
след.
Шмидта — объектив 95 -98
Шот — эффект 427
Штифт Глобара 338
Штифт Нернста 337
Шум тепловой 427 и след.
Шумы флуктуационные в электриче-
ских лампах 427
Щелочные металлы — их свойства
521 и след.
Щелочноземельные металлы — их
свойств! 529
Экспозиметр 458
Экспозиция 456
Электроды в вакуумных приборах
133
Электроды для вакуума 133 и след.
Электролиз стекла 526
Электрометр — емкость и чувстви-
тельность 223 и след.
Электрометр — квадрантный 232
Электрометр — крутильный 239
Электрометр — ламповый 407, 409
Электрометр — однонитный и двунит-
ный 228, 241
Электрометр — установка 256
Электрометрические электронные
лампы 406, 408, 415, 623 и след.
Электрометры — конструкция 226 и
след.
Электрометрические лампы — рус-
ские 415
Электрометры — теория 218 и след.
Электронная эмиссия — вторичная 405
Электронные лампы — параметры 620
Электронные лампы — малетабарит-
ные 622
Электронные лампы — экономические
622
Электронные приборы 619
Электропечи 508 и след.
Электропечь с сопротивлением из
угля 512
Электроскопы — конструкция 226 и
след.
Электроскопы — теория 219
Явление Тваймана 45
Янтарь 197, 255
ЛИТЕРАТУРНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
К главе I
1. Академ. А. Е. Арбузов — Руководство к самостоятельному изучению
стеклодувного искусства. II изд. Москва, Химиздат (1933).
2. А. Я. Гринберг, М. С.Гандшуи И. С. Благообразов — Стеклодувный нри-
бор и работа с ним. Москва, Гизлегпром (1939).
3. Burger, Е. Е. Geo. El. Rev., 37, 93 (1934).
4. Housekeeper. W. G., Elect. Engineering, 42, 954 (1923).
5. Hull, A. W. and Burger, E. E. Physics, 5, 384 (1934).
6. Scott, Howard, Frank. Inst., J.t 220, 733 (1935).
К главе II
1. Amateur Telescope Making, Advanced.
2. Anderson, J. A and Porter, R. W., Astrophys. J., 70, 175 (1929).
3. Brashear, John A., Prcc. of Am. Assn, for Adv. Science, 38, lt6 (1885).
4. Finch, G. I., „The Beilby Layer”, Science Progress, 31, 609 (1937).
5. French, J. W., „The Working, of Optical Parts*', Dictionary of Applied
Science, Vol. IV, page 326. London: The Macmillan Company, 1923.
6. Gaviola, E., Amateur Telescope Making, Advanced, article on Foucauh’s
Shadows, page 76 J. O. S. A. 26, 163 (1935).
7. Ingabs, Albert G., editor, Amateur Telescope Making, page 74, New York
Scientific American Publishing Company, 1935.
8. Lord Rayleigh, Proc. Opt. Convention, No. 1, page 73, (1905); and Scien-
tific Papers, Vol. IV, page 542. Cambridge: Ttie University Press, 1903.
9. Smiley, С. H., „The Schmidt Camera '. Popuar Astronomy, 44, 415 (1935).
10. Stromgren, B., „Das Schmidtsche Spiegelteleskop", Vierteljahrschrift dcr
Astronomlschen Gesellschaft, 70, 65 (1935).
11. Topler, A., Pogg. Ann., 131, 33, 180 (1867).
12. Wood, R. W.. Physical Optics, page 93, New York: The Macmillan Company
(1934).
К главе III
1. Andrews, M. R., and Bacon, J. S., „Systematic Investigation of the Action
of Getters in Sealed Tubes”, Am. Chem. See., J., 53, 1674 (1931).
2. Bearden, J. A., Rev. Sci. Instruments., 6, 276 (1935).
3. Becker, J. A., and Jaycox, E. K., Rev. Sci, Instruments., 2, 773 (1931).
4. Beckman, Arnold O., J. O. S. A., 16, 276 (1928).
5. Brandenstein, Maruscha and Klumb, H., Phys. Zeits., 33, 88 (1932).
6. Brose, H. L., and Keyston, J. E., Journ. Sci. Instruments, 7, 19 (1930).
7. Buckley, О. E„ Nat. Acad. Sci., Proc., 2, 683 (1916).
8. Burch, C. R., Nature, 122, 729 (1928); Roy. Soc., Proc., 123, 271 (1929).
643
9. Charlec, V., Litton, Engineering Laboratories, Redwood City. California.
10. Copley, M. J., Smpson. О. C., Tenney, H. M., and Phipps T. E.. Rev. Sci.
Instruments., 6, 265, 361 (1935).
11. Crawford, W. W., Phys. Rev., 10, 558 (1917).
12. Du Mond, J. W. M., and Pickels, W. M., Jr., Rev. Sci. Instruments, 6, 362
(1936).
13. Du Mond, J. W, M-, Rev. Sci. Instruments, 6, 285 (1935).
14. Dunyoer, L., Vacuum Practice. New York: D Van Nostrand and Company.
15. Dushman, S., and Found, C. G., Phys. Rev., 17, 7 (1921).
16. Dushman, S., Frank. Inst., J., 211, 737 (1У31).
17. Dushman, S., High Vacuum, p«ge 163.
18. Dushman, S., Phys. Rev., 5, 225 (’915).
19. Dushman, S., High Vacuum.. Schenectady: General Electric Company
(1922).
20. Dushman, S., Frank. Inst., J., 211, 689 (1931).
21. Edwin Me Millan. Privatcvy communicated.
22. Este man, I., and Byck, H. T., Rev. Sci. Instruments, 3, 482 (1932).
23. Gaede, W., Ann. d. Physik, 41, 289 (1913).
24. Goetz, A, Phys к und Technik des Hochvakuums. Viewcg u. S., 1926.
25. Gaede, W., Zeds. f. techn. PhysH, 4, 337 (1923).
2\ Gaede. W., Ann. d. Physik, 46, 357 (1915).
27. Haber, F., and Kerschbaum, F., Zeits. f. Elektrochem., 20, 296 (1914).
2h. Hale, C. F., Am. Elektrochem. Soc., Trans., 20, 243 (1911),
29. Henderson, Joseph. E., Rev. Sci. Instruments, 6, 66 (193э).
30. H:ckman, К- C. D., J. O. S A., 18, 3<-5 (1929).
31. Hickman, К- C. D., Frank. Inst., J, 221. 215, 383 (1936).
32. Hickman, К- C. D., and Sanford, S. R., Rev. Sci. Instruments, 1, 140 (1930).
33. Ho, T. L., Rev. Sci. Instruments. 3, 133 (1932).
34. Ho, T. L., Physics, 2, 386 (1932).
35. Jaycox, E- K-, and Wemhart, H. W., Rev. Sci. Instruments, 2, 401 (1931).
36. Kaye, G. W C., High Vacua. New York: Longmans, Green and Company.
37. Klose, W., Phys. Zeits., 31, 503 (1930).
38. Klunib, H., and Glimm, H. O., Phys., Zeits., 34, 64 (1933).
39. Kiumb, H., Zeits. f. techn. Physik, 17, 201 (1935).
40. Knudsen, M., Ann. d. Phys’lr, 28, 75 (1909).
41. Knudsen, M., Ann. d. Physik. 22, 999 (1908).
42. Langmuir, I., Am. Chem. Soc., J., 35, 107 (i913).
43. Langmuir, I., Phy-. Rev., 8, 48 (1916).
44. Langmuir, I., Am. Chem. Soc. J., 37, 1139 (1915).
45. Langmuir, I., Amer. Inst. Elect. Engin., Proc., 32, 1921 (1913).
46. Langmuir, J. Indust, and Engin. Chem., 1, 348 (1915).
47. Meyer, O., and Maxwell, James Clerk, Pogg. Ann., 125, 40, 546 (1865), 143,
14 (1871).
48. Molthan, W., Zeits. f. techn. Physik, 7, 377, 452 (1926).
49. Newina-', F. H., The Production and Measurement of Low Pressures. New
York: D. Van Nostrand and Company, 1925.
50. Norton, F. J., and Marshall, A. L., Reprint No. 613, General Electric Com-
pany (1932).
51. Hund, A. H., Phys. Rev., 18, 78 (1921).
52. Pjrtni M., Deutsch. Ph vs. GeselL, Verh., 8, 24 (1906).
53. Ranisperger, Herman, C., Rev. Sci. Instalments, 2, 73b (1931).
54. Rose, John E., Rev. Sci. Instruments, 8, 130 (1957).
55. Sherwood, R. G., Ain. Chem. Soc. J., 40, 164a (1918); Phys. Rev., 12, 148
(1918).
56. Simon, H. Zeits. f. techn. Phy si и, 5, 221 (1921).
57. Skdlett, A. AL, J. O. S., A., 15, 56 (1927).
58. Sloa-’, D. H., Thornton, R. L., and Jenkins, F. A., Rev. Sci. Instruments, 6,
8 (1935).
59. Stanley, L. F., Phys. See., Pioc., 33, 287 (1921).
644
60. Srefan, J., Akad. Wiss. Ben, 65, 2, 45 (1872).
61. Stinzing, H., Zeits. f. techn. Physik, 3, 369 (1922).
62. Webster, D. L., Rev. Sci. Instillments, 5, 42 (1934).
63. Zabel, R. M., Rev. Sci. Instruments, 5, 42 (1934).
64. Zabel, R. M., Rev. Sci. Instruments, 6, 54 (1935)
К главе IV
1. Aitken, Roy. Soc. Edin., Proc., 94 (1893).
2. von Angerer, Ernst, Wien-Harms, Handb. der Exp. Physik, 1, 375 (1926).
3. Baker, T. J., Phil. Mag., 44, 752 (1922).
4. Bierens de Haan, David, Nouvelles tables d’integrales definies, Table 67, Eq.
3, page 102. Leyden: P. Engels 1867.
5. Bon6t-Maiiry. P., Ann. de Physique. Il, 253 (1929).
6. Brashear, Jonn A., English Mechanic. 31, 237 (1880).
7. Cartwright, C. Hawley. Rev. Sci. Instruments, 3, 302 (1932).
8. Cartwright, Hawley and Strong, J., Rev. Sci. Instruments, 2, 189 (1931).
9. Compton, Karl T., and Langmuir, Irving, Rev. Modern Physics, 2, 186
(19 ).
10. Crookes Sir W., Roy, Soc., Proc., 50, 88 (1891).
II. Duncan, R. A. Indust, and Engin. Chem., 26,24 (1934).
12. French. E. A. H., Optical Sci., Trans., 25, 229 (1924).
13. Fruth, H. F., Physics, 2, 286 (1932).
14. Gardner, I. C., and Case. F. A., „The Male ng of Mirrors dy the Deposit o.J
of Metal on Glass", Bureau Standards Circular No. 389.
15. Gaviola, E., J. O. S. A., 26, 153 (1936).
16. Gaviola. E. and Strong, J., Phys. Rev, 48, 133 (1935).
17. Grove, W. R., Phil. Trans., 1 (1852'.
18. Guntherschulze, A., Zeits. f. Physik. 36, 563 (1926', 38, 575 (1926).
19. Hulburt, E. O., Rev. Sci. Instruments, 5, 85 (1934).
20. Ingolls, Albert G., editor, Amakur Telescope Making. New York: Scienti-
fic American Publishing Company, 1935.
21. Kohlschutter, V., Zeits. f. EKktrochem., 15.316(1909); Jahrb. Radioaktivi-
tat, 9, 335 (1912).
22. McRelvy, E. C., and Taylor, C. S., „Glass to Metall Joints", Amer. Chem.
Soc., J., 42, 1364 (1920).
23. Mierdcl, G., Wien-Harms, Handb. der Exp. Physik, 13, Part 3, page 400
et seq. (1929).
24. Miller, Dayton Clarence, Laboratory Physics, page 269, Boston: Ginn and
Company, 1903.
25. Pollard, A. C., The Physical Society of London and the Optical Society,
November 26, 1920. London: The Fleetway Press, Ltd. — „The Making of
Reflecting Surface»".
26. Piingsherm, P., and Pohl, R., Deutsch. Phys, Gesell., Verh., 14, 506 (1912).
27. Rayleigh, Lord, Scientific Papers, Vol. 6, pages 26 and 127. Cambridge,
University Press, 1920.
28. kitschl, R., Zeits. f. Physik, 69, 578 (1931).
29. Strong, J., and Gaviola, E., J. O. S A., 26, 153 (1936).
30. Strong, J., Astrophys. J., 83, 401 (1936).
31. Strong, J., Phys, Rev. 43, 498 (1933).
32. Strong, J., Phys. Rev., 39, 1012 (1932).
33. Strong, J., Ast ophys. J., 83, 401 (1935).
34. Strong, J., Rev. Sci. Instruments, 6, 97 (1935).
35. Wadsworth, F. L. O., Astrophys. J, 1, 352 (1895).
36. Williams, Robley C., Phys. Rev., 41, 255 (1932).
37. Wood, Robert W., Physical Optics, Third Edition, New York: The Macmil-
lan Company, 1934.
38. Olsen L. O., Smith and Crittenden „Techniques for Evaporation of Mctalls"
J. of appl. Phys., v. 16., p. 425 (1945).
645
К главе V
1. Boys, С. V., Roy. Soc., Phil. Trans. 143, 159 (1889).
2. Glazebrook, Sir Richard Tetley, editor, Dictionary of Applied Physics, Vo-
lume III, pages 471 — 475. New York: The Macmillan Company, 1922—1923.
3. Glazebrook, Sir Richard Tetley, editor. Dictionary of Applied Physics
Volume III, page 699. New York: The Macmillan Company, 1922— 1923.
4. Glazebrot k. Sir Richard Tetley, editor. Dictionary of Applied Physics, Volume
III, page 696. New York: The Macmillan Company, 1922—1923.
5. Honda, K, Phil. Mag., 42, 115 (1921).
6. lida, K-, Bull. Earthquake Res. Inst, of Tokyo University, 13, 665 (1935).
7. Kaye, G. W. C. Phil. Mag., 20, 718 (1910).
8. Reinkober O., Phys. Zeits, 38, 112 (1937).
К главе VI
1. Compton, A. H. and К. T, Phys. Rev. 14, 85 (1919).
2. Curtiss, L, Bullet, of Biir. of Stand (1915).
3. Hoffman, G, Handbuch der Exp. Physik, X, 42 (1928); Phys. Zeits., 13 480,
1029 (1912).
4. Jeans, J. H., Mathematical Theory of Electricity and Magnetism, Fifth Edi-
tion, page 95. New York: The Macmillan Company.
5. Kaye, G. W. C, Phys. Sjc, Proc., 23, 209 (1911).
6. Lindemann, F. A, and A. F. and Kerley, T. C, Phil. Mag., 47, 577 (1924).
7. Perucca, E, Zeits. f. Instrumentenk., 47, 524 (1927).
8. Pockman., L. T, Rev. Sci. Instruments, 7, 242 (1936).
9. Wein, W, and Harms, F, editors; Leipzig.
10. Wilson, С. T. R., Cambridge Phil. Soc., Proc., 12, 135 (1903).
11. Wolf, F, Ann. d. Physik, 18, 373 (1933).
12. Wtilf, Th., Phys. Zeits., 15, 250, 611 (1914).
13. Zipprich, B, Phys. Zeits., 37, 35 (1936).
К главе VII
1. Ashworth, J. A. and Muzon, J. C, Rev. Sci. Instruments, 8, 127 (1937).
2. Bateman, H„ Phil. Mag., 20, 704 (1910).
3. Brubaker, G., and Pollard, E., Rev. Sci. Instruments, 8, 254 (1937).
4. Christoph, W, Ann. d. Physik, 23, 47 (19'35); Phys. Zeits., 34, 641 (1933).
5. Curtiss, L. F, Bureau of Standards, J. of Research, 10, 229 (1933).
6. Dunning, John R., Rev. Sci. Instruments, 5, 387 (1934).
7. Eckart, Carl, and Shonka, Francis R., Phys. Rev., 53 752 (1938).
8. Evans, R. D., and Mugele, R. A., Rev. Sci. Instruments, 7, 441 (1936).
9. Evans, R. D., Rev. Sci. Instruments, 5, 371 (1934).
10. Franz, H., Zeits. f Physik, 63, 370 (1930).
11. Geiger, H., and Muller, W, Phys. Zeits, 29, 839 (1928).
12. Geiger, H., and Klemperer, O, Zeits. f. Physik, 49, 753 (1928).
13. Geiger, H, Verh. d. D. Phys. Ges., 15, 534 (1913); Phys. Zeits., 14, 1129 (1913).
14. Getting, I. A., Phys. Rev, 53, 103 (1938).
15. Gingrich, N. S., Rev. Sci. Instruments, 7, 207 (1936).
16. Handbuch der Lxp. Physik, XV, 786 (1928).
17. Haxel, O. Phys. Zeits, 36, 804 (1935).
18. Hunt, Frederick V., Rev. Sci. Instruments, 6, 43 (1935).
19. Khrmann, H, Zeits. f. Physik, 87, 411 (1934).
20. Kolin, A. Rev. Sci. Instruments, 6, 230 (1935).
21. Kreuchen, К. H, Zei-S. f. Physik, 97, 625 (1935).
22. Kreuchen, К. H, Zeits. f. Physik, 94, 549 (1935).
23. Locher, G. L, Phys. Rev, 42, 525 (1932).
24. Locher. G. L., Frank. Inst, J. 216, 553 (1933).
25. Neher, H. V, and Harper, W. W, Phys. Rev, 49 940 (1936), 53,316 (1938).
646
26. Palmer. Albert de Forest, Theory of Measurements, page 127. New York:
McGraw-Hill Book Company 1912.
27. Pickering, W. H., Rev. Sci. Instruments, 9, 180 (1938).
28. Pohl, M., and Faessler, A., Zeits. f. Physik, 102, 562 (1936).
29. Richards, L. A., Rev. Sci. Instruments, 4, 479 (1933).
30. Rossi, B-, Nature, 125, 636 (1930).
31. Rutherford, Ernest; Chadwick, James; and Ellis, C. D. Radiation from
Radioactive Substances, page 52. New York: The Macmillan Company. 1930.
32. Shepherd, William G., and Haxby, Robert O., Rev. Sci. Instruments, 7,
425 (1936).
33. Smythe, W. R., and Hemmendinger, A., Phys. Rev., 51, 178 (1937).
34. Street, J. C., and Woodwa d, R. H., Phys. Rev., 45, 1032 (1934); Street,
J. E. and Johnson, T. H. Frank. Inst., J., 214,155 (1932).
35. Webster, H. C., Cambridge Phil. Soc., Proc., 28, 121 (1931—1932).
36. Weher, H. V., and Pichering, W. H., Phys. Rev., 53, 316 (1938).
37. Wein, W., and Harms, F., editors, Handb. d. Exp. Phys., Leipzig (1928).
38. Wynn-Williams, С. E., Roy. Soc., Proc., A, 131, 391 (1931).
39. Wynn-Williams, С. E., Roy. Soc., Proc., 136, 312 (1932).
К главе VIII
1. Abbott, C. G., Astrophys. J., 69, 293 (1929).
2. Badger, R. M., J. O. S. A., 15, 370 (1927).
3. Barnes, R. B., and Matossi, R., Zeits. f. Physik, 76, 24 (1932).
4. Boys, С. V., Roy. Soc., Proc., 42, 189 (1887), 44, 96 (1888), 47, 480 (1890);
Roy. Soc., Phil. Trans., 180 A, 169 (1889).
5. Brackett, F. S-, and McAlister., E. D., Rev. Sci. Instruments, 1, 191 (1930).
6. Bridgman, P. W., Am. Acad., Proc., 63, 347 (1927—1928).
7. Burger, H. C., and van Cittert, P. H., Zeits. f. Physik, 66, 210 (1930).
8. Cartwright, С. H., Rev. Sci. Instruments, 4, 382 (1933).
9. Cartwright, С. H., Physics, 1, 211 (1931).
10. Cartwright, С. H., Ann. d. Physik, 18, 656 (1933).
11. Cartwright, С. H., Zeits. f. Physik, 92, 153 (1934).
12. Cartwright, С. H., Rev. Sci. Instruments, 3, 221 (1932).
13. Cartwright, С. H., Rev. Sci. Instruments, 3, 73 (1932).
14. Cartwright, С. H., Zeits. f. Physik, 92, 153 (1934); Ann. d. Physik, 18, 656
(1933).
15. Cartwright, С. H., Physics, 1, 211 (1931).
16. Coblentz, W. W., Bureau of Standards, Bull., 4, 391 (1908), 9, 15 (1913)
17. Coblentz, W. W., Bureau of Standards, Bull., 2, 479 (1906).
18. Coblentz, W. W., Bureau of Standards, Bull., 11, 131 (1914).
19. Crookes, Sir William, Roy. Soc., Phil. Trans., 11, 166, 325 (1876).
20. Czerny, M., Ann. d. Physik, 12, 993 (1932).
21. Czerny, M., and Mollet, P., Zeits. f. Physik, 108, 85 (1937).
22. Czerny, M., Heins, H., and Woltersdorff, W., Zeits. f. Physik, 95, 262 (1935).
23. Czerny, M., Zeits. f. Physik, 90, 468 (1934).
24. Firestone, F. A., Rev. Sci. Instruments, 3, 163 (1932).
25. Firestone, F. A., Rev. ScL Instruments, 1, 630 (1930).
26. Forsythe, W. E., Measurement of Radiant Energy, page 210. New York:
McGraw-Hill Book Company .1937.
27. Hardy, J. D., Rev. Sci. Instruments, 1, 429 (1929), 5, 120, (1934).
28. Harris, L., and Johnson, E. A., Rev. Sci. Instruments, 4, 454 (1933).
29. Harris, L., and Johnson, E. A., Rev. Sci. Instruments, 5, 153 (1934).
30. Hettner, G., Zeits. f. Physik, 27, 12 (1924).
31. Ising, G., Phil. Mag., 1, 827 (1926).
32. Johansen, E. S., Ann. d. Physik, 33, 517 (1910); Phys. Zeits., 14, 998
(1913).
33. Kltimb, Hans, Zeits. f. techn. Physik, 17, 279 (1936).
34. Langley, S. P., Am. Acad., Proc., 16, 342 (1881); Annals of the Astrophy-
sical Obs., 4, 45 (1904), 5, 75 (1905).
647
35. Lebedew, P., Ann. d. Physik, 9, 209 (1902).
36. Leimbach, G., Ann. d. Physik, 33, 308 (1910).
37. Moll, W. J. H., Phil. Mag., 50, 624 (1925).
38. Moll, W. J. H., and Burger, H. C., Zeits. f. Physik, 32, 575 (1925; Phil.
Mag-, 50, 618 to 631 (1925).
39. Moll, W. J. 11, Dissertation Utrecht (1907); Arch. Neerland, 13, 100 (1908).
40. Nichols, E. F., Phys. Rev., 4, 297 (1897).
41. Paschen, F., Ann. d. Physik, 48, 272 (1893).
42. Paschen, F., Ann. d. Physik, 33, 736 (1910).
43. Pettit, Edison and Nicholson, Seth B., Astrophys. J., 56, 327 (1922).
44. Pfund, A. H., Science, 2, 69 (1929).
45. Pfund, A. H., J. O. S. A., 23, 375 (1933), 23, 270 (1933).
46. Pfund, A. H., „Radiation Thermopiles”, Rev. Sci. Instruments, 8, 417 (1937).
47. Pfund, A. H., Phys. Zeits., 13, 870 (1912).
48. Rubens, H., Zeits. f. Instrumentenk., 18, 65 (1898).
49. Sandvik, O., J. O. S. A., 12, 355 (1926).
50. Smith, S., Nat. Acad. Sci., Proc., 16, 373 (1930).
51. Strong, J., Rev. Sci. Instruments, 3, 65 (1932).
52. Tear, J. D., Phys. Rev., 23, 641 (1924).
53. Van Lear, G. A., Jr., Rev. Sci. Instruments, 4, 21 (1933).
54. Woltersdoiff, W., Zeits. f. Physik, 91, 230 (1934).
К главе IX
1. Alterthum, H„ and Reger, M., Das Licht, 3, 69 (1933).
2. Babcock, Harold D., Astrophys. J., 66, 255 (1927), 67, 240 (1928).
3. BSckstrom, H. L. J., Naturwiss., 21, 251 (1933).
4. Baly, E. С. C., Spectroscopy. New Yo.k: Longmans, Green (1927).
5. Barnes, R. B., and Bonner, L. G., Phys. Rev., 49, 732 (1936).
6. Barnes, В. T., and Forsythe, W. E., J. O. S. A., 27, 83 (1937).
7. Barnes, R. B. Rev. Sci. Instruments, 5, 237 (1934).
8. Benford, F., Trans. Soc. Motion Picture Eng., 24, 71 (1926).
9. Bol, C., Das Licht, 5, 84 (1935); Ingenieur, 50, 91 (1935).
10. Brahtz, J. H. A., Rev. Sci. Instruments, 5, 80 (1934).
11. Brice, R. T., Rev. Sci. Instruments, 8, 209 (1937).
12. Bridgman, P. W., Am. Acad., Proc., 60, 307 (1925), 64, 19 (1929).
13. Busch, H., Ann. d. Phys k, 64, 401 (1921).
14. Buttolph, L. J., Engineering Bulletin 104—B, Cooper — Hewitt Company.
15. Buttolph, L. J., Ain. Ilium. Eng. Soc., Trans., 30, 147 (1935).
16. Carleton, R. B., Rev. Sci. Instruments, 5, 30, (1934).
17. Christiansen, C., Ann. Phys:k u. Chemie, 23, 298 (1884), 24, 439 (1885).
18. Coblentz, W. W., Bureau of Standards Scientific Paper No. 168.
19. Coker, E. G., and Filon, L. N. G., A Treatise on Photo-Elasticity. London:
Cambiidge University Press, 1931; New York: The Macmillan Company, 1932.
20. Czerny, M., and Plettig, V., Zeits. f. Phys’k, 63, 590 (1930).
21. Czemy, M-, and Turner, A. F., Zeits. I. Phys:k, 61, 792 (1930).
22. Duffendack, O. S., and Thomson, К- B., J. O. S. A., 23, 101 (1933).
23. Duffendack, O. S., and Manley, J. H., J. O. S. A., 24, 222 (1934).
24. Dushman, S., J. O. S. A., 27, 1 (1937).
25. Einspom, E., Phys. Zeits., 37, 83 (1936).
26. Forbes, Geo. S., Heidt, Lawrence J., and Spooner, Lawrence W., Rev. Sci.
Instruments., 5, 253 (1934).
27. Forsythe, W. E., Measurement of Radiant Energy. New York: Me Graw-
Hfll Book Company, 1937.
28. Forsythe, W. E., J. O. S. A., 7, 1115 (1923).
29. Fowle, F. E., Smithonian Miscellaneous Collections, 68, 49 (1917).
30. Freundlich, H., Chemistry and Industry, 56, 698 (1937).
31. Glass Color Filters. Coming Glass Works, Coming, New York.
32. Goetz, A., Rev. Sci. Instruments, 5, 84 (1934).
33. Griffith, H. D., Phil. Mag., VI, 50, 263 (1925).
648
34. Hardy, J. D., Phys. Rev., 38, 2162 (1931).
35. Hardy, A. C., J. O. S. A., 14, 505 (1927).
36. Hardy, A. C., and Perrin, F. H., The Principles of Optics. New Yofc-
McGraw Hill Book Company (1932).
37. Harries, W., and Hippel, A. v., Phys. Zeits., 33, 81 (1932).
38. Harrison, (ко ge R., Rev. Sci. Instruments, 5, 149 (1934).
39. Herzberg, G., Ann. d. Physik, 84, 553 (1926).
40. Horger, O. J., Jour, of Applied Physics, 9, 457 (1938).
41. Ives, H. E., K’ngsbury, E. F., and Karrer, E., „А Physical Study of the
Welsbach Mantle", Frank. Inst., J., 186, 401, 5b5 (1918).
42. Jacobi, G., Zeits. f. techn. Physik, 17, 382 (1936).
43. Kaplan, Joseph, J. O. S. A., 14, 186 (1927).
44. Kayser, H., Tabelle der Hanptl'iiien der Linienspektra aller Elemente. Berlin::
Julius Springer, 1926.
45. Kellner, L., geb. Sperling, Zeits. f. Phys., 56, 215 (1929).
46. Korth, K-, Zeits. f. Physik, 84, 677 (1933).
47. Kyropoulos, S., Zeits. f. anorg. allgem. Chem., 154, 308 (1926).
48. Land, E. H., Frank Inst., J., 224, 269 (1937).
49. Lau, E., and Reichenheim, O., Zeits. I. Physik, 73, 31 (1931).
50. Lawrence, E. O., and Edlefsen, N. E., Rev. Sci. Instruments, 1, 45 (1930).
51. Lecomte, J., Le Spectre Infrarouge. L. Presses Universit. ds France (1928)..
52. Leighton, W. G., and Leighton, P. A., Journ. of Chem. Ed., 21, 139 (1935).
53. Littrow, O., Am. J. Sci., 35, 413 (1862).
54. Luckiesch, M., Holladay, L. L., and Taylor, A. H., Frank. Inst., J., 196, 353-
(1923).
55. Me Alister, E. D., Smithsonian Misc. Coll., 93, No. 7 (1935).
56. Meyer, Charles F., The Diffraction of Light, X-rays and Material Particles.
Chicago: University of Chicago Press, 1934.
57. Munch, R. H., Am. Chem. Soc., J., 57, 1863 (1935).
58. Nernst, W., and Bose, E., Phys. Zeits., 1, 289 (1900).
59. Nichols, E. F., Ann. d. Physik, 60, 401 (1897); Phys. Rev., 4, 297 (1897).
60. Nicholson, Seth B., and Pettit, Edison, Astrophys. J., 56, 295 (1922).
61. O’Bryan, H. M., Rev. Sci. Instruments, 6, 328 (1935).
62. Pfund, A. H., J. O. S. A., 14, 337, (1927).
63. Pfund, A. H., Astrophys. J., 27, 299 (1908).
64. Pfund, A. H., Astrophys. J., 27, 298 (1908).
65. Pfund, A. H., J. O. 'S A., 26, 439 (1936).
65. Ramsperger, H., and Melvin, E. H., J. O. S. A., 15, 359 (1927).
67. Randall, H. M., Rev. Sci. Instruments, 3, 196 (1932).
68. Rubens, H., and Nichols, E. F., Ann. d. Physik, CO, 418 (1897); Phys. Rev.,.
4, 314 (1897).
69. Rubens, H., Deutsch. Phys. Gesell., Veih., 7, 346 (1905); Ann. d. Physik,
18, 725 (1905), 20, 593 (1906); Phys. Zeits., 6, 790 (1905), 7, 186 (1909).
70. Rubens, H., and Wood, R. W., Phil. Mag., 21, 249 (1911),
71. Schaefer, C. L., and Matossi, F., Das Ultra rote Spektrum. Berlin: Julius
Springer, 1930.
72. Schmidt, W., Meteorolog. Zeitsch., 25, 321 (1908).
73. Smith, A. E., and Fowler, R. D., J. O. S. A., 26, 79 (1936).
74. Solakian, Arshag G., Meeh. Eng., December, page 757 (1935).
75. St. John, Chas. E., and Babcock, Harold D., Astrophys. J., 46, 138 (1917),
53, 260 (1921).
76. Stober, F., Zeits. f. Krist., 61, 299 (1925).
77. Strong, J., Rev. Sci. Instruments, 6, 243 (1935).
78. Strong, J., Phys. Rev., 37, 1565 (1931), 38, 1818 (1931).
79. Strong, J., Phys. Rev., 37, 1661 (1931).
J 80. Strong, J., Phys. Rev., 36, 1663 (1930).
81. Strong, J., and Brice, R. T., J. O. S. A., 25, 207 (1935).
82. Wadsworth, F. L. C., Phil. Mag., 38, 137 (1894); Astrophys. J., 2, 264 (1895).
83. Weigert, F., Staude, H-, Elvegard, E., and Shidei, J., Zeits. f. Phys. Chem.,
Abt. B, 2, 149 (1923), 9, 329 (1930).
649'
84. Wood, R. W., Physical Optics, Third Edition. New Yorlc The Macmillan
Company, 1934.
85. Wood, R. W., Phil. Mag., 5, 257 (1903).
86. Wood, R. W., Phys. Rev., 44, 353 (1933).
87. Wood, R. W., Physical Optics, page 93. New York: The Macmillan C (1934).
88. Wright, Lewis, Light, page 289. New York: The Macmillan Company (1892).
К главе X
1. Ballantine, S., Electronics, 1, 472 (1931).
2. Bearden, J. A., Rev. Sci. Instruments, 4 , 271 (1936).
3. Bennett, A. L., Pub. Am. Astr. Soc., 8, 209 (1935).
4. Biltz, M., Phys. Zeits., 34, 200 (1933).
5. Campbell, N. R., and Ritchie, Dorothy, Photoelectric Cells, page 214. New
York: Isaak Pitman and Sons, 1934.
6. Chaffee, E. L., Theory of Thermionic Vacuum Tubes. New York: McGraw-
Hill Book Company, 1933.
7. Davis, M. N., Paper Trad» Journal, July 4, 1935, page 36.
8. Du Bridge, L. A., Phys. Rev., 37, 392 (1931).
9. Du Bridge, L. A., and Brown, H., Rev. Sci. Instruments, 4, 532 (1933).
10. Dunning, J. R., Rev. Sci. Instruments, 5, 387 (1934).
11. Gabus, G. H., and Pool, M. L., Rev. Sci. Instruments, 8, 196 (1937).
12. Garman, R. L., Rev. Sci. Instruments, 8, 327 (1937).
13. Gibson, K. S., J. O. S. A., 13, 267 (1926).
14. Glasgow, R. S., Principles of Radio Engineering. New York: Me Graw-
Hill Book Company, 1936.
15. Hafstad, L. R., Phys. Rev., 44, 201 (1933).
16. Hall, J. S., Astrophys. J, 79, 145 (1934).
17. Hardy, A. C., J. O. S. A., 18, 96 (1928), 25, 305 (1935).
18. Harrison, G. R., J. O. S. A., and Rev. Sci. Instruments, 19, 267 (1929)
J. O. S. A., 24, 59 (1934).
19. Henney, K-, Electron Tubes in Industry, Second Edition. New York:
McGraw-Hill Book Company, 1937.
20. Henney, K-, Radio Engineering Handbook, Second Edition. New York:
McGraw-Hill Book Company, 1935.
21. Hogness, T. R., Zscheile, F. P., and Sidwell, A. E., J. Phys. Chem., 41, 379
(1937).
22. Horton, J. W., Frank. Inst., J., 216, 749 (1933).
23. Hubble, E., Astrophys. J., 76, 107 (1932); Mt Wilson Contr. No. 453.
24. Hughes, A. L., and Du Bridge, L. A., Photoelectric Phenomena. New
York: McGraw-Hill Book Company, 1932.
25. Hull, A. W., Gen. EL Rev., 32, 213, 390 (1929); Physics, 4, 66 (1933).
26. Hunt, F. W., Rev. Sci. Instruments, 4, 672 (1933).
27. Johnson, E. A., and Neitzert, C., Rev. Sci. Instruments, 5, 196 (1934).
28. Johnson, E. A., and A. G., Phys. Rev., 50, 171 (1936).
29. Johnson, E. A., Physics, 7, 130 (1936).
30. Johnson, E. A., and A. G., Phys. Rev., 50, 170 (1936).
31. Jones, R. V., Journ. Sci. Instruments, 11, 302 (1934).
32. Kingsbury, B. A., Phys. Rev., 38, 1458 (1931).
33. Kingsbury, E. F., and Stillwell, G. R., Phys. Rev., 37, 1549 (1931).
34. Kron, G. E., private communication.
35. Lange, B., Zeits. f. techn. Physik, 13, 600 (1932).
36. Livingston, O. W., and Maser, H. T., Electronics, April, 1934.
37. MacDonald, P. A., Physics, 7, 265 (1936).
38. Mees, С. E. K-, J. O. S. A., 21, 753 (1931), 22, 204 (1932), 23, 229 (1933),
25, 80 (1935).
39. Metcalf, G. F., and Thompson, B. J., Phys. Rev., 30, 1489 (1930).
40. Milligan, W. O., Rev. Sci. Instruments, 4, 496 (1933).
41. Mohler, Nora M., and Taylor, Delia Ann, J. O. S. A., 26, 386 (1936).
'650
42. Moll, W. J. H., and Burger, H. G, Phil. Mag., 50, 6211 (1925).
43. Moon, P. H., Scientific Basic of Illuminating Engineering. New York:
McGraw-Hill Book Company, 1936.
44. Moss, E. B., Journ. Sci. Instruments, 12, 141 (1935).
45. Muller, R. H., and Kinney, G. F., J. O. S. A., 25, 342 (1935).
46. Nottingham, W. B., Frank. Inst., J., 206, 637 (1928).
47. Pearson, G. L., Physics, 5, 233 (1934).
48. Penick, D. B., Rev. Sci. Instruments, 6, 115 (1935). Дан список литературы.
49. Prescott, С. H., Jr., and Kelley, M. J., Bell System Tech., J., 11, 334
(1932).
50. Preston, J. S., Journ. Sci. Instruments, 13, 368 (1936).
51. The Radio Tube Manual, RCA Manufacturing G, Harrison, New Jersey.
52. Rentschler, H. C., Henry, D. E., and Smith, K- O., Rev. Sci. Instruments,
3, 794 (1932).
53. Romain, В. P., Rev. Sci. Instalments, 4, 83 (1933).
54. Russell, H. N., Astrophys. J., 43, 129 (1916).
55. Schnutt, О. H. A., Rev. Sci. Instruments, 4, 661 (1933).
56. Sharp, G H., and Eckweiler, H. J., J. O. S. A., 23, 246 (1933).
57. Smith, S., Astrophys. J., 76, 486 (1932); Mt Wilson Contr. No. 457.
58. Stebbins, J., and Whitford, A. E., Astrophys. J., 87, 237 (1937); Mt Wilson
Contr. No. 586.
59. Stebbins, J., and Whitford, A. E., Astrophys. J., 84, 253 (1936); Mt Wilson
Contr. No. 547.
60. Stemke, E., Zeits. f. Physik, 38, 378 (1926).
61. Strafford, N., Analyst, 61, 170 (1936).
62. Taylor, A. H., Rev. Sci. Instruments, 8, 124 (1937).
63. Turner, L. A., Rev. Sci. Instruments, 4, 665 (1933).
64. Waller, L. C. RCA Review, 1, 111 (1937).
65. Wilson, E. D„ Rev. Sci. Instruments, 2, 797 (1931),
66. Withrow, R. B., Shrewsbury, C. L„ and Krayhill, H. L., Indust, and Engin.
Chem. (Analytical Edition), 8, 214 (1936).
67. Wynn-Williams, С. E., Phil. Mag., 6, 321 (1928).
68. Zscheile, F. P., Hogness, T. R., and Young, J. F., J. Phys. Chem., 38,
1 (1934).
69. Zabel, R. M., and Hancox, R. R., Rev. Sci. Instruments, 5, 28 (1934).
К главе XI
1. Abney, W. de W., On the Variation in Gradation of a Developed Photogra-
phic Image When Impressed by Monochromatic Light of Different Wavelengths.
Roy. Soc., Proc., 68, 300 (1901).
2. Cooksey, D., and Cooksey, C. D., Phys. Rev., 36, 80 (1930).
3. Dersch, F„ and Duerr, H., J. Soc. of Motion Picture Engineers, 28,178 (1937).
4. Elementary Photographic Chemistry. Eastman Kodak Company, Rochester,
New York. 1931.
5. Ferguson, W. B., The Photographic Researches of Ferdinand Hurter and
Vero C. Driffield. Royal Photographic Society, 1920.
6. Fowle, F. E., Smithsonian Physical Tables. Washington: The Smithsonian
Institution, 1934.
7. Frerichs, R., „Phofographische Spektralphotometrie“, Handbuch der Physik,
Vol. 19, Chapter 23. Berlin: Julius Springer, 1928.
8. Hardy, A. C., J. O. S. A, 14, 505 (1927).
9. Hardy, A. C.. and Perrin, F, H., The Principles of Optics. New York:
McGraw-Hill Book Company, 1932.
10. Harrison, G. R., „Instruments and Methods Used for Measuring Spectral
Light Intensities by Photography", J. O. S. A., 19, 267 (1929).
11. Harrison, G. R., J. O. S. A., 11, 113 (1925).
12. Hurter, F., and Driffield, V. C., Journ. Soc. Chem. Ind., 9, 455 (1890).
13. Jones, L. A., „Measurements of Radiant Energy with Photographic Mate-
651
rials”, Measurement of Radiant Energy. New York: McGraw-Hill (1937).
14. Jones, L. A., Photographic Spectrophotometry In the Ultraviolet Region
National Research Council, Bull., No. 61. 109 (1927).
15. Jones, L. A., and Sandvick, O., Spectral Distribution of Sensitivity of Pho-
tographic Materials". J. O. S. A., 12, 401 (1926).
16. Mees С. E. K., J. O. S. A., 25, 80 (1935).
17. Morgan, W. W., Astrophys, J., 83, 254 (1936).
18. Neblette, С, B., Photography, page 293. New York: D. Van Nostrand Com-
pany, 1930.
19. Neblette, С. B., Photography. New York; D. Van Nostrand Company 1930.
20. Norman, D., J. O. S. A., 26, 407 (1936).
21. Schwarzschild, K-, Astrophys. J., 11, 89 (1900).
22. Wr.ipp'e, F. L., Lick Observat., Bull., No. 442.
23. Wood, R. W., Astrophys. J., 27, 379 (1908).
24. Wratten Light Filters. Eastman Kodak Company, Rochester, New York.
К главе XII
1. Arsem, W. C., Am. Electrochem. Soc., Trans., 9, 153 (1906).
2. Beattie, J. A., Rev. Sci. Instruments. 2, 458 (1931).
3. Carslaw, H. S., Introduction to The Mathematical Theory of the Conduction
of Heat in Solids, Second Edition. London: The Macmillan Company (1921).
4. Fowle F. E. Smithsonian Physical Tables. Washington. 1934.
5. Haagn, E., E. T. Z-, 40, 67o (1919).
6. Haughton, J. L., Journ. Sci. Instruments, 9, 310 (1932).
7. Haughton, J. L., and Hanson, D., Engineering, 104, 412 (1917).
8. Hougen, O. A., Chem. and Met. Eng., 30, 737 (1924).
9. Hull. A. W., Gen. El. Rev., 32, 213. 399 (1931).
10. Ingersoll., L. R., and Zobel, O. J., The Mathematical Theory of Heat Con-
duction, With Engineering and Geological Applications. Boston: Ginn and Com-
pany, 1913.
II. Kautny, Th., Leitfaden fur Azetilenschweisscr, page 86. Halle: Marhold (1925).
12. King, W. J.. Mechanical Engineering, 54, 190, 275, 347, 410, 492, 560 (1932).
13. Langmuir, I., Flames of Atomic Hydrogen, Indust, and Engin. Chem.,
19, 667 (1927),
14. Langmuir, I.. Amer. Electrochem. Soc., Trans., 23, 299 (1913); Phys. Rev.
34, 401 (1912).
15. Langmuir, I.. Adams, E. Q., and Meikle, G. S., Amer. Electrochem. Soc.,
Trans., 24, 53 (1913).
16. Mathiesen, W., Untersuchungen fiber den elektrischen Lichtbogen. Leipzig
Haberlandt, 1921.
17. Meissner, W., Handbuch der Physik, Vol. 11, Chapter 7. Berlin, Julius
Springer, 1926.
18. Northrup, E. F.. Pyrometry, page 464. New York: published by the Am.
Inst, of Mining and Metallurgical Engineers at the office of the Secretary, 1920.
14 Northrup, E. F. Frank. Inst.. J., 195, 665 (1923).
20. Orton, E., Jr., and Krehbiel, J. F., Amer. Ceramic Soc., J, 10, 375 (1927).
21. Podszus, E., Zeits. f. angew. Chem.. 30, 17 (1917), 32, 146 (1919).
22. Proctor, R. F., and Douglas, R. W., Journ. Sci. Instruments, 9, 192 (1932).
23. Rice, C. W-, International Critical Tables, 5, 234. New York; McGraw-
Hill Book Company, 1929.
24. Roberts, H. S., J. O. S. A. 6, 965 (1922).
25. Roebuck, J. R.. Rev. Sci, Instalments, 3, 93 (1932).
26. Swanger, W. H. and Caldwell, F. R., Bureau of Standards J. of Research,
6, 1131 (1931).
27. von Wartenbnrg, Н.» Linde, H., and Jung. R., Zeits. fur anorg. u. allgem.
Chemie, 176, 349 (1928).
28. Whit*, W. P. and Adams, L. H., Phys. Rev., 14, 44 (1919).
29. Zabel, R. M. and Hancox, R. R., Rev. Sci. Instruments., 5, 28 (1934).
652
К главе XIII
!. von Angerer, Ernst, Techmsche Kunstgriffe bel physikalischen Untersu-
chungen. Friedr. Vieweg tind Sohn. J 936.
2. Brady, G. S., Materials Handbook. New York: McGraw-Hill, 1931.
3. Burt, R. C. J. O. S. A.. 11, 87 (i 925).
4. Espe, W. and Knoll, M, Werkstoffkunde der Hochvakuumtechnik, S. 199.
Berlin: Julius Springer. 1936.
5. Espe, W., and Krol, M., Werkstoffkunde der Hochvakuumtechnik, S. 157.
Berlin: Julius Springer, 1936.
6. Finch, G. I, .The Beilby Layer". Science Progress, 31, 609 (1937).
7. Fow'.e. F. E., Smithsonian Physical Tables. Washington: The Smithsonian
Institution, 1934.
8. Goodman, Clark, Mercury Poisoning, A Review of Present Knowledge,
Rev. Sc«. Instruments, 9, 233 (1938).
9. Hardy, W. В, and Doubleday, Ida, Roy. Soc., Proc., 100A, 550 (1921—1922).
10. Hughes, H. H., Bureau of Mines, Inf. Circ., No., 6553 (1931).
11. Koehler, Artur, Properties and Uses of Woods. New York: McGraw-Hill
Book Company, 1924.
12. Ladoo, Rbvmond B., Bureau of Mines, Bull. 213, pages 80 — 81.
13. Marks, L. S., Mechanical Ergineer’s Handbook. New York: McGraw-Hill
Book Company, 1930.
14. .Mechanical Properties of Woods Grown in the United States". Department
of Agriculture, Bull. 556.
1) . Muller, K-. and Pringsheim, F., Naturwiss., 18, 364 (1930).
16. Stock, A., and Cucuel, F., Ber. deutsch. chem. Ges., 67, 122 (1934).
17. Turner J. A., Pub. Health Bull.. 39, No. 8 (1924).
18. Wood, R. W., Phys. Rev., 44, 353 (1933).
К главе XIV
I. Espe, W.. and Knoll, M., Werkstoffkunde der Hochvakuumtechnik. Berlin:
Julius Springer, 1936.
2. Mitller, R., Ann. d. Phys., L 613 (1929),
3. Polla d, A. C. F., The K'nema’ical Design of Couplings in Instrument Mecha-
nisms. London: Adam Hilger, Ltd., 1929.
4. Proposed Rules for the Construction of Unfired Pressure Vessels Subjected
to External Pressure, Mechanical Engineer! g. April, 1934.
5. Timoshenkj. S., Theory of Elastic Stability. New York: McGraw-Hill Book
Company, 1936.
6. Whitehead, Thomas North, The Design and Use of Instruments and Accu-
rate Mechanisms. New York: The Macmillan Company, 1934.
РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ПОСОБИЯ
Е. Ангерер — Лабораторная техника. ОНТИ, Л. 1934.
Е. Ангерер — Научная фотография. Кубуч, Л., 1933.
Ф. Бурмистров — Точная фотография. Оборонгиз, Л., 1939.
Е. Брюхе и О. Шерцер — Геометрическая электронная оптика. Лениз-
дат, 1943.
В. А. Бута лов —Легкие сплавы. Лениздат, 1944.
В. А. Буталов — Изготовление сплавов цветных металлов. Лениздат, 1945.
М. Варгафти г— Кинофотоматериаловедение. Госкиноиздат, М., 1939.
В. Веселовский и И. Ши маненков — Нагревательные приборы в ла-
бораторной практике, Госхимиздат, М, 1938.
Ф. Вейгерт — Оптические методы в химии. Госхимтехиздат, Л., 1933.
Р. Вуд — Физическая опгика. ОНТИ, М., 1936.
Векслер, Грошев, Добротин — Экспериментальные методы ядерной
физики. ОНТИ, М., 1940.
Д. Д. Гарнвелл и Д.Д. Ливингул — Экспериментальная атомная фи-
зика. ОНТИ, М., 1936.
Г и н к и н — Справочник по радиотехнш е. 2-е изд., Связьиздат, М., 1939.
Глейхен — Теория современных оптических инструментов. ОНТИ, Л., 1935.
Знаменский — Справочник металлиста, т. I и т. II. 6-е изд., Маштех-
издат, Л., 1933.
А. Ф. Иоффе — Техника физического эксперимента. ГИЗ, М., 1929.
А. Иванов — Электровакуумная технология. Энергоиздат, М., 1944.
А. Китай го роде кий — Технология стекла, т. I и т. II. Гизлегпром,
М., 1939.
Г. Кейнат — Электроизмерительная техника, т. I и т. II. ОНТИ, М, 1937.
Н. Качалов — Основы процессов шлифовки и полировки стекла. Изд.
Ак. наук СССР, М., 1945.
Н. Капцов — Электрические явления в газах и вакууме. Гостехиздат,
М., 1947.
М. К р у г е р и Б. К у л и ж н о в — Конструирование оптико-механических
приборов. ОНТИ — НКТП, М., 1937.
Левитин — Приемно-усилительные лампы. 2-е изд., Радиоиздат, М. 1938.
Д. Максутов—Астрономическая оптика. Гостехиздат, М., 1946.
М. М о р о-А но — Фотометрия кратковременных и переменных световых явле-
ний. Оборонгиз, Л., 1939.
Оствальд — Лютер — Друккер — Физико-химические измерения. Хим-
теоретиздат, Л., 1935.
Н. Н. Пономарев—Теория, расчет и конструирование электроизмери-
тельных инструментов. Л., 1943.
П. Ремез и С. Иткин — Радиоизмерительная аппаратура. Воениздат.
М., 1947.
Г. Роудон — Предохранительные покрытия металлами. Гостехиздат, М., 1931.
Справочная книга оптик а-м е х а н и к а, т. I и т. II. ОНТИ, М., 1930.
Г. С л юса рев — Геометрическая оптика. Изд. Ак. наук, М., 1945.
К. В. Чмутов — Техника физико-химического исследования. ОНТИ, Хим-
издат, М., 1937.
Е. Ш р а м к о в — Электрические и магнитные измерения. ОНТИ, Л., 1937.
А. Эйкен — Физико-химический анализ в производстве. Химтеоретиздат,
Л., 1936.
В. Эспе и М. Киоль — Технология электровакуумных материалов. Обо-
ронгиз, М., 1939.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
П редис ловие..............-........................ 3
Глава /
ОСНОВНЫЕ ПРИЕМЫ СТЕКЛОДУВНОГО МАСТЕРСТВА
Общие указания и инструменты....................................... 5
Газ для стеклодувных горелок................•..................«... 7
Горелка П. М. Немзера.............•................................ 9
Дутье.............................................................. И
Кислород для горелок........•..................................... 14
Некоторые физические своиства стекла.............................. 15
Обрезка трубок и бутылей.......................................... 16
Очистка и мытье................................................. 17
Подогрев.......................................................... 18
Вращение изделий................................................... —
Сгибание трубок................................................... 20
Стягивание стекла................................................. 21
Отжиг.............................................................. —
Вытягивание капилляра............................................. 22
Запаивание трубки................................................. 23
Обрезка трубки в пламени.......................................... 24
Подготовка к спаиванию............................................. —
Спайка...............................................л............ 26
Кольцевая спайка...................................................28
Выдувание шариков................................................. 29
Стягивание сужений в трубках......................................31
Исправление дефектов .............................................. —
Платиновые вводы ................................................. 32
Вольфрамовые и молибденовые вводы ..................................—
Спаи медь-стекло................................................. 35
„Ковар" и „Фернико".................................................—
Спаи фарфор-пирекс................................................ 35
Глава 11
ХОЛОДНАЯ ОБРАБОТКА ОПТИЧЕСКОГО СТЕКЛА В ЛАБОРАТОРИИ
Введение............................................................. 37
Общие приемы обработки................................................ —
Теория шлифовки и полировки.......................................... 38
Методы полировки..................................................... 40
Получение широких оптических поверхностей диаметром в 75,150 и более
миллиметров..................................................... 41
Разрезание и грубая обдирка...............-.......................... 42
Сверление отверстий.................................................. 44
Косые зеркала ....................................................... 45
Распиловка стекла....................................................
655
1Вадоизмененная машина Дрепера...................................... 47
Крепление заготовки.................................................. —
Приемы шлифовки кривых поверхностей................................. 49
Тонкая шлифовка..................................................... 52
Смола для полировальника.............................................54
Полировка......................................................... 57
Ретушь.......................................................• . . 58
Рабочие и нерабочие зоны............................................ 59
Объяснение действия полировальных и регушировальных инструментов . . 61
Инструменты для ретуши зон.......................................... 62
Способы устранения зональных дефектов и изготовление асферических
поверхностей.....................................................64
Астигматизм....................................................... 70
Испытание качества оптических деталей.................................—
Кольца Ньютона.............................................• . . . . 71
Полосы Хайдингера (полосы равного наклона)......................... 73
Испытание оптической поверхности с помощью малых отверстий........74
Метод испытания оптической поверхности, предложенный Фуко (с лез-
.Испытанне оптической поверхности с помощью лезвия ножа по зонам . . 79
Способ испытания Рончи...............................................82
Способ испытания, предложенный Гартманом............................ 84
Центрировка системы зеркал .......................................... —
Два особых способа получения оптических поверхностей . . . •........ 85
Обработка оптических поверхностей на станке с ручным рычагом .... —
'Взаимное расположение двух оптических поверхностей................. 88
Блокировка...........................................................90
Кварц и исландский шпат (кальцит) . . ............................... —
Оптическая обработка кристаллов......................................93
Полировка металлов.................................................. 94
•Объектив Шмидта.....................................................95
Глава III
ТЕХНИКА ВЫСОКОГО ВАКУУМА
Законы для идеальных газов........................................ 99
Средняя длина свободного пути......................................100
"Внутреннее трение и теплопроводность.............................. 101
Скорость откачки...................................................102
Проводимость откачивающих вакуумных линий.........................103
Откачка............................................................104
Насосы предварительного разрежения (форвакуумные насосы)...........105
-Форвакуумные насосы, изготовляемые в СССР.......................• 106
Обезгаживание стекла к металлов.................................. 108
Давление паров замазок •........................................ 109
Геттеры............................................................ИО
Статические и кинетические вакуумные системы...............• . . 112
Диффузионные (пароструйные) насосы................................115
Применение масел в диффузионных насосах...........................118
Конструкция масляных диффузионных насосов.........................119
Ловушки для ртути............................................... 121
Кажущиеся течи . •.............• ...........................125
.Ловушки для масел .... 126
Конструктивные особенности кинетических вакуумных установок.......128
Соединения.............................................. • . . . . 129
X плотнспия.......................................................131
Прозрачная вакуумная замазка......................................132
Электроды.........................................................133
Вентили и краны...................................................134
-656
Механические перемещения в вакууме...............................136
Течи.............................................................137
Вакуумные манометры (вакууме гры)................................139
Манометр Мак-Леода...............................................141
Ионизационный манометр...........................................143
Манометр Пирани..................................................145
Манометр Лангмюира...............................................147
Манометр Кнудсена................................................150
Глава IV
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ПОКРЫТИЯ
Способы нанесения тонких пленок..................................151
Метод впекания.................................................... —
Способы химического покрытия металлом............................152
Очистка...................................................... —
Способ Брешира..............................................154
Способ серебрения с сегнетовой солью........................156
Покрытие зеркал лаком.......................................157
Химическое золочение по Вернике.............................. —
Медные зеркала по Френчу....................................159
Гальваническое осаждение металла.................................161
Катодное распыление..............................................164
Чистка и сушка подложек и фигуры запотевания их при дыхании . 168
Очистка зеркал для алюминирования...........................170
Покрытие испарением..............................................171
Испарение.................................................... —
Техника испарения алюминия..................................173
Вакуумная установка.........................................178
Получение пленок одинаковой толщины.........................179
Параболизация сферического зеркала с помощью алюминирования . 183
Полупрозрачные алюминиевые пленки...........................186
Просветление оптики..............................................189
Глава V
ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАВЛЕНОГО КВАРЦА
Общие замечания о плавленом кварце................................192
Химические свойства...............................................193
Физические свойства ............................................... —
Термические особенности....................................... —
Упругие свойства.............................................194
Термоэластичпосгь............................................197
Твердость .................................................... —
Поверхностное напряжение расплавленного кварца................ —
Электрические свойства ....................................... —
Применение кварца в виде ни гей.................................... —
Оборудование для изготовления кварцевых нитей и работа с ними .... 198
Вытягивание нитей.................................................207
Уход за тончайшими нитями и хранение их...........................211
Некоторые полезные технические указания для работы с тончайшими
нитями ...........................................................
Выпрямление................................................... —
Сгибание.....................................................212
Натягивание и усадка .......................................... —
Спаивание двух нитей....................................... 213
Припаивание нити к более крупному кусочку кварца............... —
Вытягивание нити овального сечения............................. —
42 Стронг
657
Вытягивание „плоской* трубки................................'211
Изготовление подвесов для электрометров....................... —
Установка креста нитей в оптических инструментах.............215
Крутильные весы..............................................216
Другое применение кварца...........................................217
Глава \1
ЭЛЕКТРОМЕТРЫ II ЭЛЕКТРОСКОПЫ
Терминология и теоретические основы...............................218
Определения .................................................. —
Общая теория.................................................. —
Теория электроскопов.........................................219
Теория электрометра..........................................220
Описание конструкций электрометров и электроскопов.................225
Некоторые типы электроскопов.................................. —
Некоторые типы электрометров.................................231
Струнные электрометры.......................................- 240
Практические соображения относительно применения электрометров и элек-
троскопов .........................................................243
Чувствительность, необходимая для работы с А-лучами..........-—
Наивыгоднейшая чувствительность для работы с космическими лу-
чами .........................................................246
Измерения методом постоянных отклонений......................247
Пределы чувствительности приборов различного типа............218
Сравнение приборов различных типов...........................251
Некоторые технические приемы, полезные при изготовлении электроскопов
и электрометров.................................................. 253
Крепление золотых листочков........•...........•...............—
Приготовление волластоновой нити.............................254
Изоляторы, применяемые при изготовлении электрометров и электро-
скопов ................................................. 255
Установка электрометра ..................................... 256
Глава \П
СЧЕТЧИКИ ГЕЙГЕРА
Определение........................................................258
Счетчик с острием........................-.......................... —
Пропорциональный счетчик...........................................259
Счетчик Гейгера-Мюллера........................................ . . 261
Конструкция счетчиков Г-М..........................................265
Чувствительность счетчиков к ионизующим частицам...................269
Счетчики Г-М специального назначения...............................270
Методы определения числа импульсов ................................272
Схемы для счета совпадений .........• • •..........................285
Источники высокого напряжения......................................287
Регуляторы напряжения....................• . •....................289
Об оценке вероятностей срабатывания и об ошибках в paooie счетчика
Гейгера........................................................293
Глава Vffi
ВАКУУМНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРОРАДИОМЕТРЫ II ИЗМЕРЕНИЕ
ЛУЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ
Введение......................................................... 299
Конструкция и откачка чувствительной термопары.....................303
Проволочки для изготовления термоспаев.............................301
658
Изготовленье спаев...................................................307
Различные с «.особы приготовления терморадиометров...................310
Применение особо чувствительных термоэлементов....................311
Компенсированные термоэлементы ............................ —
Вспомогательные приборы..............................................316
Реле.................................................................317
Изготовленье термоэлементов при помощи испарения и катодного распыле-
ния .................................................................320
Теоретические вопросы, связанные с расчетом и конструкцией термоэлектро-
радиометров ................•.................................. . • 323
Абсолютная чувствительность и минимум отмечаемой энергии.............326
Сбщие замечания, касающиеся расчета и конструирования термоэлектро-
радиометров..........................................................328
Г iaв а IX
ОПТИКА. ИСТОЧНИКИ СВЕТА, ФИЛЬТРЫ И ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
Части спектра . ?................................................. 331
Техника измерений спектрограмм . . •................................. —
Источники света....................................................33'2
Солнце....................................................... —
Вольфрамовые лампы................................•...........331
Сетка Ауэра-Вельсбаха.........................................336
Штифт Нернста.........•..................................... 337
Штифт Глобара.................................................338
Угольные дуги.........•........................................ —
Пережигание проволочек........................................340
Железные дуги.................................................341
Ртутная дуга низкого давления.................................. —
Ртутные дуги высокого давления................................343
Ртутные дуги сверхвысокого давления............................ —
„Холодная" ртутная лампа......................................345
Разрядные трубки с разными парами и газами..........................345
Натриевая лампа.............................................. —
Непрерывный спектр водорода.....................................—
Непрерывный и монохроматический спектр гелия..................348
Получение линейчатых спектров ............................... 349
Искры.........................................................350
Пламя.......................................................... —
Ультрафиолетовая область спектра...........................• .... 351
Прозрачные для ультрафиолетового света вещества.................—
Призмы, линзы и зеркала для ультрафиолетовой области..........352
Фильтры для ультрафиолетовой области..........................353
Поляризация в ультрафиолетовой области........................Зоб
Инфракрасная область. . . . ......................................... —
Общая характеристика......................................... —
Призмы, окошки, линзы и зеркала для инфракрасной области спектра 357
Отражение кристаллов. Остаточные лучи ... 359
Специальные поглощающие фильтры для близкой инфракрасной
области ........................• ......................361
Фильтры для видимой части спектра........................... 362
Фильтры Христиансена........................................ 363
Светофильтры Е. М. Брумберга.............................. 365
Отражение от металлических поверхностей..................... 367
Монохроматоры................................................. • • —
Применение зеркал в монохроматорах . ................• . . . . 369
Водяной монохроматор ....................................... 371
Метод выделении спектральной полосы с помощью фокусировки . . 373
Выделение остаточных лучей ..................................375
12*
659
Изготовление пластинок для получения остаточных лучей.........375
Поляризация света................................................ 376
Технические применения поляризованного света.................376
Пластинка в четверть, половину и целую волну ................379
Расцепление слюды..................., .................380
Эталонные пластинки из слюды .......................• .... 381
Применение слюдяного эталона............................... 382
Увеличение (оптическая сила) линз................................... —
Другие свойства линз...............................................383
Особенности зеркал........................................• .... 384
Свойства призм.....................................................385
Регистрирующие оптические системы.................................... —
Глав а X
ФОТОЭЛЕМЕНТЫ И УСИЛИТЕЛИ
Введение...........................................................387
Пределы чувствительности приемника для обнаружения радиации.........—
Гены фотоэлементов................................................• 390
Особенности фотоэлементов с внешним фотоэффектом...................391
Производство фотоэлементов.........................................395
Вакуумные и газонаполненные фотоэлементы............................ —
Сурьмяно-цезиевые фотоэлементы................................... 397
Фотоэлементы с запорным слоем ... 398
Новые типы фогоэлеменюв............................................400
Усиление фотоэлектрических токов...................................406
Усилители постоянного тока.................................... —
Русские электрометрические лампы............................• 415
Детали эксперимент ирования с фотоэлементами.......................416
Другие типы ламп с малым сеточным током............................420
Усилители постоянного тока повышенной мощности...............422
Усилители переменного тока...................................424
Флуктуационные шумы в схемах с электронными лампами................427
Применение фотоэлементов в фотометрии .............................429
Денситометры.......................................................432
Увеличение малых отклонений гальванометра..........................434
Тиратроны и контрольные приборы....................................435
Глава XI
ФОТОГРАФИРОВАНИЕ В ЛАБОРАТОРИИ
Сравнение чувствительности глаза с чувствительностью фотографической
эмульсии....................................................439
Кривые Хертера и Дриффилыа......................................441
Закон взаимности.........•.....................................444
Разрешающая сила................................................44т
Пластинки Шумана................................................. —
Источники света.................................................449
Светофильтры....................................................451
Фокусировка.................................................... 4э2
Сенсибилизация................................................ 453
Сморщивание желатины............................................455
Экспозиция..................................................... 456
Проявление .........................................-...........460
Время и температура проявления................................. 462
Проявление в кювете............................................ 465
Десенсибилизация................................................466
Фиксирование................................................. . 167
660,
Промывание и сушка................................................ 468
Ускоренный метод фотографирования спектров в спектральном анализе . . 471
Печатание негативов.............................................. 473
Усиление и ослабление фотографий ... •...........................177
Проявление после фиксирования (физическое проявление)..............—
Некоторые специальные применения фотографии.......................478
Фотографическая фотометрия.................................... . 481
Глава XII
ТЕПЛОТА И ВЫСОКАЯ ТЕМПЕРАТУРА
Теплопроводность. Установившийся режим теплопередачи..............485
Фактор формы.................................................... —
Теплопроводность—неустановившийся режим..........................488
Передача тепла свободной конвекцией...............................497
Перенос тепла излучением................................ . . . . 498
Низкие температуры............................................. 502
Способы получения высоких температур.............................503
Пламя....................................................... —
Электрические печи ........................................ 508
Постоянные температуры („точки')............................514
Термостаты..............................................• • —
Измерение температуры.......................................518
Глава XIII
СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ЛАБО-
РАТОРНОЙ ПРАКТИКЕ
Чистые металлы...................................................521
Щелочные металлы............................................. —
Щелочноземельные металлы....................................529
Ртуть........................................................ —
Металлы группы платины......................................531
Тугоплавкие металлы: вольфрам, молибден, тантал и другие....533
Сплавы...........................................................535
Инвар..........•............................................ —
Сплавы для электрических сопротивлений......................536
Сплавы для термопар.........................................
Магнитные материалы.......................................... —
Припои ................................................... 539
Латунь и бронза.............................................540
Дюралюминий ................................................541
Дерево.......................................................... —
Заменители дерева................................................545
Замазки и склеивающие материалы..................................546
Универсальная замазка ....................................... —
Пчелиный воск с канифолью.................................... —
Шеллак . . . ......................................547
Сплавы с шеллаком...........................................
Пицеин .....................................................548
Апьезоновые масла............................................. —
Хлористое серебро . . . •........................-..........549
Эмаль.........................................................—
Полимеризующиеся замазки.....................•................—
Бакелит.......................................................•—
Алкидные смолы................................... .........550
Люцит и'органическое стекло..................................551
Рыбий клей...................................................552
Резиновый^, клей................•........................... —
661
Гр пс.....................................................552
Паста из raeia и глицерина................................. —
Другие необратимые замазки и цементы....................553
Столярный клей............................................. —
Смазка.......................................................554
Жировик, или тальковый камень . ........... . 557
Коллоидальные растворы. 1. Коллоидальный раствор шеллака. 2. Коллоидаль-
ные растворы всех благородных металлов (по Бредигу). 3. Кол-
лоидальный теллур. 4. Красный раствор золота. 5. Синий раствор
золота, б. Коллоидальная платина. 7. Коллоиды с удлиненными ча-
стицами. 8. Образованье коллоида в поле зрения кардиоидного
ультрамикроскопа. 9. Различно окрашенное коллоидное серебро . 558
Жидкости с большим удельным весом . ..........................563
Г-iaea XIV
ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ ИНСТРУМЕНТОВ И ПРИГОРОВ
Резание металлов ............................................. 564
Токарный станок............................................... 567
Паяние ...слабыми" (легкоплавкими) припоями....................573
Паяние крепким приюем..................................- . . 575
Точечная сварка .............................................. 576
Конструирование приборов .................................... 577
Прогибы .........................................................—
Кинематика конструкций.......................................579
Установки, свободные от вибраций ............................585
Г .шва XV
ФОРМОВКА И ОТЛИВКА
Введение.....................................................588
Формовка по восковым моделям.................................... —
Модели для отливки в землю...................................595
Процесс формовки и отливки ..................................60’’
Заливка подшипников баббитом.................................615
Отливка в сепиолит.......................................... 616
Ди по .1 н е н не
ЭЛЕКТРОННЫЕ И ИОННЫЕ ПРИБОРЫ В ЛАБОРАТОРНОЙ ПРАКТИКЕ
Малогабаритные лампы. Жолуди. Иностранные электрометрические
лампы. Тиратроны. Стабилизаторы н; пряжения. Твердые выпрями-
тели. Термисторы........... • - • ......... 619
Т а б л и ц ы в а ж н е й ш н х ф и з и ч е с к и х постоянных.629
Предметно-алфавитный указатель.................................635
Литературный указатель.....................................613
Рекомендуемые пособия..........................................651
Переплет И. 3. Копеляна
Редактор П. И. Мзлявко.
Техн, редактор Н. И. Родченко.
Корректор А. Г. Ткалич.
Подписано к печати 1ZV1 1948 г.
М-14551. Формат бумаги 60Х92:|1||;.
Печ. л. 4Г,а. Тираж 10.00дэкз. Уч.-изд.
л. 46,5 Тип. зн. в 1 печ. л. 41544.
Заказ № 3429. Изд. № 122. Цена ‘25 р.
Типография । м. В модарскогэ .
Замеченные опечатки
(.'гра- ница Строка Напечатано Должно быть
32 6 стерху спаивается вольфрамом спаивается с вольфрамом
72 6 снизу наклона наклонена
39 6 снизу образного обзорного
274 В подписи под рис. 13 7?9=7,5ХЮ4е; /4 = 7,5 X И) :Й; /?*=о^хюв2;
276 В подписи /?4 = 0,5ХЮ6 S;
под рис. 16 74 = 0,2 X 1 Об й; А4 = 0,2Х 10® 2;
280 В подписи Л?. = = /4, = IO5 Qj /?,= Л?, =_/?-= 10rQ;
под рис. 19 Я = 0; /?, = 0;
286 В подписи /?! = = Z?l=7?8 = /?8 = 2^ = 10s2;
под рис. 21 = 2,5X10=9;
Ci = С3 = С3 = от 50 Сх = С2 = С3 = от 50
(Cj> 0?з и С3) (Сц С2 и С3)
327 12 снизу ^Кб-2=-^7 '2K^=~kT
401 Табл. 2, 2000-11000 9000—11С0Э
4 колонка,
577 2 сверху 7 сверху Г тт. / 1 mt 7<s i 1
|Nfc" II hr
579 9 снизу S — сопротивление c — сопротивление
624 Табл. 4, <0,01-1001 -<0»01
4 колонка справа,
10 сверху
Д. Строит