Ксенон

История

Свойства

Применение

 
    Самое известное применение ксенона сейчас – наполнение им газоразрядных ламп. По крайней мере, если набрать в любом поисковике слово «ксенон», 90% ссылок будут вести на фирмы, занимающиеся продажей и/или установкой ксеноновых фар. И хотя в автомобильных лампах излучает свет не чистый ксенон, а его смесь с разными солями индия, таллия и других металлов (для улучшеия светоотдачи и цветопередачи), на производство источников света, расходуется основная часть ксенона.


    Я довольно долго пытался придумать, как поступить с образцами газов для маленького набора элементов. Во всех интернет-магазинах и на аукционе ebay.com можно купить запаянные ампулы, содержащие эти газы. Я вполне доверяю продавцам, но тем не менее, убедиться, что внутри ампулы находится именно соответствующий газ, не разбивая ампулы практически невозможно. А мне хотелось сделать такие образцы, в которых элемент можно было бы «увидеть» без дорогостоящего оборудования (вроде масс-спектрометров), и которые бы демонстрировали какое-либо характерное свойство газа.
    Сначала я хотел сделать маленькие газоразрядные трубки для каждого газа, но честно говоря, мне не удалось добиться хорошего качества впайки металлических электродов в такую крохотную трубку. Тогда я решил поступить по-другому. Как известно, свечение в газе можно получить не тольно пропуская через газ высоковольтный (при помощи ВЧ индуктора или течеискателя). Как и в случае обычного электрического разряда, ВЧ свечение гораздо легче возникает в разреженном газе (пожалуй, можно заставить светиться те ампулы, в которых газ находится при атмосферном давлении, но для возбуждения такого разряда, да еще и через стекло, понадобится индуктор мощностью несколько десятков киловатт). Как показала проверка, лучше всего (ярче всего) инертные газы в таких меленьких ампулах светились при давлении 5-10 миллибар. Я выбрал для заполнения всех ампул с газами давление 10 мбар. Перед запайкой, все ампулы прокаливались в вакууме при температуре 300-400 градусов, чтобы удалить адсорбированную на поверхости воду и прочие загрязнения. Потом я два раза заполнял ампулы соответствующим газом и вакуумировал, чтобы удалить следы воздуха. В третий раз напустил газ до давления 10 миллибар и отпаял.
    Чтобы сделать фотографию светящегся газа, я поместил ампулу в темноте рядом с высокочастотным течеискателем (на фотографиях можно видеть его электрод справа от ампулы) и сделал снимок с довольно большой экспозицией (2-4 секунды). Цвет свечения у ксенона бело-голубой (на самом деле, цвет зависит от интенсивности разряда).

 
   На этой фотографии - тоже разряд в ксеноне, но на этот раз не высокочастотный, а электрический. прочем, они имеют практически одинаковый цвет свечения (но интенсивность свечения электрического разряда в несколько раз выше).

 
    Забавный и немного «сумасшедший» образец ксенона. После того, как я сделал ампулы с хлором, меня заинтересовало, а нельзя ли сделать похожие ампулки для еще каких-нибудь газов. Как известно, для многих газов (да и вообще для каждого вещества, которое не разлагается при нагревании) существует критическая температура, выше которой вещество ни под каким давлением нельзя превратить в жидкость. Как я указывал в описании для ампул с хлором, для хлора эта температура составляет 146 градусов, при этом давление поднимается до 76 атмосфер. Если сравнить критические температуры для остальных газов (элементов), мы увидим, что при комнатной температуре больше ни один из них нельзя получить в жидком виде. Но существует газ, критическая температура которого близка к комнатной. Это ксенон. При температуре ниже 16 градусов его можно перевести в жидкое состояние, правда для этого нужно давление 58 атмосфер. Это много и довольно опасно. Но поскольку ампула с хлором все-таки выдержала давление в 76 атмосфер (да еще и при нагревании), я решил таки попробовать сделать ксеноновую ампулу. Сама методика запайки жидких газов в ампулы довольно проста. Ампула с готовой перетяжкой вакуумируется, охлаждается в жидком азоте и туда конденсируется желаемый газ. Затем ампула вакуумируется еще раз (при этом газ все еще охлаждён и не улетает из ампулы) и отпаивается. Основная неприятность может произойти, если в ампулу было сконденсировано слишком много жидкого газа. Жидкость, расширяясь при нагреве, может создать давление намного большее, чем давление газа, и ампулу разорвет. Но с ксеноном все получилось достаточно красиво и аккуратно. После запайки я залил ампулу в эпоксидную смолу, и образец стал вполне безопасным. Даже в случае взрыва ампулы, все осколки останутся внутри эпоксидного цилиндра.

 
    Поскольку критический переход ксенона расположен вблизи комнатной температуры, на таком образце можно пронаблюдать это интересное физическое явление. При медленном охлаждении, при температуре равной критической, объем ампулы внезапно мутнеет (до этого ампула кажется пустой, поскольку газ слабо преломляет свет) и разделяется на два слоя. Интересно так же отметить очень низкое поверхностное натяжение ксенона при температуре, близкой к критической. Жидкость внутри ампулы очень подвижна и практически не имеет мениска (это в капилляре диаметром 2 мм!). При медленном нагревании ампулы с жидким ксеноном, жидкость немного расширяется, а затем граница жидкость/газ становится все менее и менее заметной. На левом фото - ампула при комнатной температуре, на правом - при температуре 10 градусов.

 
    Второе по распространенности применение ксенона, это его использование в лампах-вспышках. В отличие от автомобильных, в этих лампах ксенон находится под давлением ниже атмосферного. Источником питания для такой лампы служит заряженный конденсатор При подаче на поджигающий электрод лампы импульса высокого напряжения, газ внутри трубки ионизируется и между основными электродами происходит разряд. Эти лампы работают в импульсном режиме, причем мгновенная мощность может достигать (за счет очень короткого времени разряда) очень больших величин. Например, мощность ламп-вспышек на фотоаппаратах составляет десятки киловатт (но, разумеется, лампа развивает такую мощность только в течение нескольких миллисекунд). Маленькая лампа на фотографии это небольшая лампа-вспышка от фотоприставки к микроскопу. Большая (ИФП-2000 с мощностью импульса 2 кДж) используется для накачки лазеров.

 
    Еще одна лампа-вспышка, на этот раз примероно на один килоджоуль. Если я не ошибаюсь, такие лампы используются в аэронавигационных огнях самолета.

 
    Еще одна лампочка ;). Это ДКсШ-3000, лампа ксеноновая шаровая сверхвысокого давления, мощностью три киловатта. По сути, это просто шар из кварцевого стекла с впаянными вольфрамовыми электродами, в который закачано 10 атмосфер ксенона. Такие лампы обладают очень высокой светоотдачей. Она составляет 90 люмен на ватт (для сравнения, светоотдача обычной лампы накаливания - 15 люмен на ватт, галогенной - 30-35). К тому же, электрическая дуга в ксеноне обладает очень высокой интенсивностью свечения и дает очень чистый белый свет (по спектру он ближе всего к солнечному свету), поэтому такие лампы устанавливают в проекторах кинотеатров, а также используют для освещения стадионов, на концертах и т.п. Поскольку давление ксенона в лампе в десять раз выше атмосферного (а когда там зажигается дуга, газ нагревается и давление возрастает еще раза в три), такая лампа достаточно опасна. При разрушении стеклянного баллона раздается хлопок примерно как от пистолетного выстрела.

 
    Собственно, автомобильная лампа. Небольшая шарообразная колба с ксеноном, солями индия, таллия и другими добавками, улучшающими спектр и светоотдачу. Давление в колбе так же превышает атмосферное в 30-100 раз. Для защиты от УФ излучения, которое вызывает растрескивание пластмассовых деталей фар, используется внешняя защитная трубка. Для работы лампа использует довольно нестандартные частоту и напряжение (80 вольт, 300 герц). Причем для поджига дуги, сначала на лампу подается примерно 25 киловольт, а потом напряжение уменьшается до рабочего. Разумеется, просто от аккумулятора такая лампа работать не может и поэтому она устанавливается вместе со специальным блоком поджига, который регулирует напряжение на лампе (и заодно определяет высокую стоимость комплекта ксенона).