Использования гелия — от металлургии и ракетостроения до медицины и консервирования продуктов.
По разнообразию применения тяжелые инертные газы мало в чем уступают гелию; по масштабам первое место среди них занимает аргон.
До второй мировой войны выработка аргона носила полупромышленный характер, и он использовался преимущественно в лабораториях и на электроламповых заводах, прочие виды промышленности почти не знали его.
Теперь это важный продукт, потребляемый ежегодно в десятках миллионов кубометров, без него немыслимо существование некоторых отраслей новой техники.
Применение инертных газов: гелий, аргон, неон, криптон и ксенон
Относительно узкое применение находил до недавнего времени неон: почти исключительно в электровакуумной технике и именно в тех приборах, где его нельзя заменить в сотни раз более дешевыми аргоном или гелием.
Характерное красное излучение неоновых светильников видимо на далекие расстояния, его трудно спутать с другими источниками света.
Это качество делает газосветные неоновые лампы незаменимыми для сигнальных устройств разнообразных назначений.
Газоразрядные источники света имеют самые различные формы и размеры; длина трубок может достигать 10 м.
В них инертный газ, как правило, разрежен, так как интенсивность света, вначале нарастающая с давлением, далее начинает падать.
Давление неона в газосветных трубках составляет 2—5, а в лампах тлеющего свечения — 5—20 мм рт. ст.
Меняя состав смеси газов и условия раз-ряда (силу тока, давление газа и т. д.), можно разнообразить цвет излучения.
Для этой цели и повышения светоотдачи внутреннюю поверхность трубок покрывают тонким слоем того или иного люминофора.
Возбуждаемая в нем люминесценция изменяет цвет светящейся трубки. Люминесцентные газоразрядные лампы высокоэкономичны, они имеют непрерывный спектр излучения любой цветности.
Чем наполняют неоновые лампы
Большинство неоновых ламп наполняется не чистым неоном, а неоно-гелиевой смесью с небольшой добавкой аргона (чтобы понизить напряжение зажигания).
Такие лампы светятся оранжево-красным цветом. В аргоновые трубки часто добавляют ртуть в этом случае свечение приобретает цвет от голубого до фиолетового.
Криптон обычно дает голубовато-зеленое, а ксенон — голубое свечение.
Аргоновые трубки с люминофорами имеют обширную гамму голубых, зеленых и белых тонов, а ксенон в комбинации с люминофорами — желтые, оранжевые и красные тона.
Газоразрядные источники света и без люминофоров экономичнее тепловых ламп, так как обладают высокой светоотдачей и имеют длительный срок службы.
Однако далеко не все типы ламп пригодны для общего освещения. Дело в том, что спектр в этих лампах не сплошной, как в лампах накаливания, а линейчатый.
Он охватывает узкий диапазон цветности, что вызывает резкое искажение цвета освещаемых предметов.
Такие лампы горят в гирляндах реклам, в витринах и вывесках, на загородных дорогах, ими освещают парки.
Замечательная особенность неонового тлеющего свечения — это его малая инерционность: свечение мгновенно усиливается или ослабевает при изменении силы питающего тока.
Поэтому неон вводят в смеси для заполнения сигнальных ламп телевизионной аппаратуры, коммутаторов телефонных станций, приборов самых разнообразных назначений.
Огоньки неоновых ламп беспрерывно мигают в электронных вычислительных машинах. Способность мигать обусловлена тем, что свет в неоновой лампе модулирует с частотой до 20 тыс Гц.
Лампы специальных конструкций, содержащие неон, выполняют многочисленные функции.
Неоновая лампа может служить стабилизатором и делителем напряжения, использоваться для регистрации быстропеременных процессов, в качестве маломощного выпрямителя, осциллографа, генератора колебаний.
Чаще всего неоновая лампа тлеющего свечения служит индикатором напряжения.
Она — обязательная деталь приборов для проверки и налаживания радиоаппаратуры.
Аргоно-ртутные лампы «Игар» используются в светокопировальных аппаратах. Неоно-натриевые лампы, излучающие монохроматический желтый свет, служат для декоративного освещения и лабораторных целей.
Наполненные аргоном «точечные» дуговые лампы дают крохотное световое пятнышко высокой и однородной яркости.
Они используются для электропередачи изображений в. аппаратах связи и для других целей.
При киносъемках и фотографировании быстро движущихся объектов широкое применение находят импульсные лампы, заполненные аргоном, криптоном или ксеноном.
Такие лампы могут давать от нескольких десятков до нескольких миллионов вспышек непрерывного спектра, яркость которых достигает 100 млн. люмен, а длительность — от миллионной до тысячной доли секунды.
Широкое применение получают газовые лампы высокого (1—3 ат) и сверхвысокого (5—20 ат) давления. В них свет разгорается сразу после включения, он ярок и имеет непрерывный спектр — от ультрафиолетового до ближней области инфракрасного.
Здесь светит дуговой разряд в каком-либо тяжелом инертном газе, преимущественно в ксеноне, который обеспечивает наибольшую яркость и светоотдачу при превосходной цветопередаче.
Газовые лампы выпускают мощностью от 100 Вт до 100 кВт.
Цвет свечения близок к белому, с небольшими оттенками. Аргоновые лампы высокого давления имеют голубоватый оттенок, криптоновые— розоватый, ксеноновые — желтоватый.
Ксеноновые лампы
На ксеноновые лампы можно, смотреть только через фильтр: глаза не выдерживают их ярких лучей.
Они применяются во всех случаях, когда правильная цветопередача имеет решающее значение:
1. При киносъемках.
2. Кинопроекции.
3. При освещении сцены и телевизионных студий.
4. В текстильной и лакокрасочной промышленности.
5. При выращивании тепличных растений.
Их используют для освещения городских площадей, открытых горных разработок, железнодорожных станций, строительных площадок. С помощью ксеноновой лампы точно определяют и различают цвета.
По конструкции ксеноновые газоразрядные лампы бывают трубчатые и шаровые. Яркость шаровой лампы почти такая же, как и Солнца.
Она используется в прожекторной технике, ее лучистая энергия плавит металлы в оптических печах.
Неон и тяжелые инертные газы присутствуют в газонаполненных фотоэлементах, ими заполняют современные тиратроны — электровакуумные ионные приборы.
Инертные газы и ртуть близки по своим электрическим характеристикам, однако газы имеют преимущества, в частности, они не конденсируются при низких температурах.
Некоторые виды импульсных ионизационных камер для измерения числа и энергии проходящих ионизирующих частиц наполнены аргоном.
В его присутствии вероятность образования отрицательных ионов меньше.
Обычные электрические лампы накаливания по сей день являются ведущими источниками света: 90% искусственного освещения приходится на их долю.
При усовершенствовании этих ламп инертные газы сыграли не последнюю роль.
Известно, что интенсивность светового потока тем больше и цветопередача тем правильнее, чем выше температура нити накала.
Между тем в пустотных и отчасти в наполненных азотом лампах нить быстро истончается вследствие испарения вольфрама; это ведет к снижению температуры накала и быстрому перегоранию нити.
Замена азота аргоном замедляет испарение нити накала и передачу тепла нити стеклянной колбе.
Кроме того, продукты распыления вольфрамовой нити увлекаются потоками аргона в верхнюю часть лампы, что значительно уменьшает ее почернение и увеличивает срок службы.
Применение криптон — ксенон смесей
Потенциал зажигания аргона недостаточно высок, поэтому к нему примешивают 14% азота. В настоящее время подавляющая масса ламп накаливания наполняется аргоном, такие лампы выпускаются миллиардами штук в год.
Однако на очереди дня стоит задача полной замены аргона еще более совершенной криптоно-ксеноновой смесью.
Криптон и ксенон, имеющие плотность в 2,1 и 3,3 большую, а теплопроводность в 1,9 и 3,1 раза меньшую, чем аргон, представляют почти идеальную среду для раскаленной нити.
Световая отдача криптоновых ламп в сравнении с аргоновыми на 25—30%, а срок службы на 15—20% больше, объем колбы значительно уменьшается.
Расход на искусственное освещение достигает в нашей стране 10% всей вырабатываемой электроэнергии.
Массовое внедрение криптоновых ламп приведет к экономии миллиардов киловатт энергии.
До недавнего времени лампы накаливания массового производства наполняли в лучшем случае криптоно-ксеноновой смесью из-за дефицитности ксенона.
При добавлении к ксенону иода в лампе происходит реакция:
Wтв + 2Iпар ⇄ WIпар
за счет которой осуществляется обратный перенос осажденного на стенках колбы вольфрама на раскаленную спираль или близко от нее.
Ксенон, находящийся под рабочим давлением 2,5—6 ат, способствует обратному переносу вольфрама.
Добавление иода позволило в 150—200 раз уменьшить объем лампы, удлинить срок ее службы в 30 раз и так резко сократить расход ксенона, что его применение стало оправданным.
Для освещения помещений йодная лампа малопригодная слишком высока температура ее кварцевых стенок — 700° С.
Ее используют в прожекторах, световых приборах, для освещения улиц, стадионов, аэродромов, выставочных залов и т. п.
В основном же пучки и гирлянды миниатюрных йодных лампочек используются как источники быстрого технологического нагрева во всевозможных областях — от испытаний машин и ракет на тепловой удар и нагрева в вакууме до приготовления пищи.
На очереди дня — разработка долговечных ламп с фторо-ксеноновым наполнением и фторостойкой прозрачной оболочкой.
Все более теснят лампы накаливания люминесцентные аргоно-ртутные лампы газоразрядного типа.
По экономичности им нет равных среди всех источников света: световая отдача люминесцентных ламп в 3—4 раза, а срок службы в 4—7 раз больше, чем ламп накаливания.
Неоновый криостат
Еще недавно электровакуумная промышленность и научные лаборатории были единственными потребителями неона.
На неон как хладо-агент предъявляет спрос криогенная техника. Какие качества неона привлекли внимание специалистов в этой области?
Некоторую роль играет нехватка гелия, заставляющая искать заменяющие его холодные жидкости.
Жидкий Ne позволяет получать температуры на уровне 43—24° К и как хладоагент уступает более дешевому водороду.
Но водород взрывоопасен. Помимо отсутствия этого недостатка, у неона есть и другие важные достоинства.
Он тяжелее воды, его скрытая теплота испарения в два раза больше, чем у водорода, и в двадцать раз больше, чем у гелия.
Оттого малы потери неона: в современных криостатах он хорошо сохраняется в течение многих месяцев.
Испаряемый объем неона отводит в 3,3 раза больше тепла, чем такой же объем водорода.
Неоновый криостат ценится и за то, что в нем с большой точностью можно регулировать температуру.
Для этого достаточно поддерживать давление на заданном уровне, так как при малых изменениях температуры резко изменяется упругость пара над жидким неоном.
Холод жидкого неона используется в криогенной электронике (детекторы инфракрасного излучения, лазеры, мазеры) и там, где используются сверхпроводники с высокими критическими температурами перехода.
При температурах жидкого неона хранят ракетное топливо и замораживают свободные радикалы, консервируют животные ткани и имитируют условия космоса в термобарокамерах.
В неоновых криостатах безопасно осуществляются такие реакции, лак прямой синтез перекиси водорода из Жидкого озона и атомарного водорода или получение окислов фтора.
В некоторых случаях гелиевый воздух для дыхания заменяется на неоно-гелиевый.
Его преимущество перед гелиевым воздухом в том, что он меньше охлаждает организм, так как теплопроводность неона меньше, чем гелия.
Аргоновая сварка
В настоящее время основной областью потребления аргона стала металлообрабатывающая и металлургическая промышленность.
Только 10 % вырабатываемого аргона поглощает электроламповая промышленность, на электродуговую сварку и резку металлов затрачивается 75%.
Остальное количество потребляется производствами стали, титана, циркония, вольфрама, металлорежущего инструмента.
Во время второй мировой войны была изобретена аргонодуговая сварка, что явилось большим шагом в развитии сварочной техники.
Она высокопроизводительна и обеспечивает высокое качество изделий. Образование шва видимо в течение всей сварки, нет надобности зачищать его от шлака и остатков флюса .
Сварка возможна в различных пространственных положениях, что особенно важно при полуавтоматической работе, сочетающей маневренность ручной сварки с производительностью автоматической.
На Московском трубном заводе в атмосфере аргона сваривают швы у нержавеющих труб.
Помимо прочего, это предохраняет раскаленный металл от выгорания углерода, чем обеспечиваются высокие антикоррозийные и механические качества шва.
В аргонной струе можно сваривать тонкостенные изделия и такие металлы, которые прежде считались трудно-свариваемыми.
Сварка протекает быстро, близлежащие участки не успевают сильно нагреться, и это уменьшает коробление изделий.
Этот прогрессивный метод универсален; он имеет очень много разновидностей по типам применяемых электродов (плавящихся и неплавящихся) и степени автоматизации.
Часто используется смесь из 80 % аргона и 20% гелия, иногда, чтобы увеличить тепловую мощность дуги, к аргону добавляют немного водорода.
При постоянном токе как гелий, так и аргон обеспечивают стабильность дуги и чистоту шва, а при перемен-ной токе предпочтение по этим показателям отдается аргону.
Для удобства наблюдения и регулирования истечения I газа в сварочной горелке В. Ф. Лифаненко и Т. Н. Дубова изобрели способ «окрашивания» аргона. Газ пропускают через сосуд с жидким четыреххлористым титаном.
Последний вступает в реакцию со следами влаги, всегда имеющейся в аргоне, в результате чего образуется туман из мельчайших частиц титановой кислоты, придающий аргону молочную окраску.
Применение электрической дуги в аргонной атмосфере вызвало переворот и в деле резки металлов.
Процесс намного ускорился в сравнении с механическим резанием, и стало возможным делать разрезы сложной формы на толстых листах самых тугоплавких металлов.
При резке с помощью аргона дуговой разряд возбуждается на заточенном вольфрамовом электроде, находящемся внутри охлаждаемого водой медного наконечника.
Вдоль столба продувается аргон (обычно в смеси с водородом), который выполняет три функции.
Во-первых, он сжимает и концентрирует дугу на малой поверхности разрезаемого изделия, отчего температура в зоне резки достигает 4000—6000° С, металл расплавляется и частично испаряется.
Во-вторых, аргон предохраняет кромки разреза и электрод от образования окисных, нитридных и иных пленок.
В-третьих, газ выдувает продукты резки. Этот прогрессивный способ находит широкое применение для резки легких металлов и нержавеющей стали.
Ширится применение аргона в черной металлургии. Продувка жидкой стали аргоном эффективно удаляет из нее растворенные газы.
Подача аргона в печь в процессе вакуумной плавки стали предупреждает бурное всплескивание жидкого металла.
Выделяющаяся окись углерода откачивается вместе с аргоном, который вводится и откачивается несколько раз.
Этим достигается высокое качество металла. Значительные выгоды дает продувка жидкой нержавеющей стали в электропечах смесью кислорода с аргоном.
Процесс плавки при этом сокращается и температура снижается, что увеличивает срок службы футеровки и уменьшает потери хрома.
В защитной среде аргона измельчают и механически обрабатывают плутоний и многие другие самовоспламеняющиеся материалы.
Аргонная атмосфера — частый спутник операций порошковой металлургии.
При извлечении из руд титана, тантала, ниобия, бериллия, урана, вольфрама, циркония, гафния, щелочных металлов и при их горячей обработке потребляется в настоящее время больше аргона, чем во всей электроламповой промышленности.
Существуют цехи объемом до 20 тыс. м³, где горячая обработка тугоплавких металлов высокой чистоты производится в атмосфере очень чистого аргона.
Персонал входит в помещение через тамбур шлюз в изолирующих костюмах, дышит подаваемым через шланги воздухом.
Приборостроение и некоторые области новой техники нуждаются в искусственных минералах высокой чистоты.
Их выращивают из расплавов вне оболочки так называемым бестигельным способом Вернейля—Попова.
Так в кислородно-водородном пламени получают синтетические рубины, сапфиры и другие драгоценные камни.
Этим способом выращивают также монокристаллы титаната бария, элементарного кремния и других полупроводниковых материалов.
В процессе роста кристаллы этих веществ нуждаются в защите от химических агентов, и аргон выполняет роль защитника. Его под давлением подают в пространство, где растут кристаллы.
Биологи находят, что аргон благоприятствует росту растений.
Даже в атмосфере чистого аргона семена риса, кукурузы, огурцов и ржи способны давать ростки, а лук, морковь и салат хорошо прорастают в атмосфере, состоящей из 98% аргона и 2% кислорода.
Это не единственная загадка аргона.
В научной печати сообщалось, что аргон каким-то образом стимулирует синтез аминокислот из простых соединений под действием ультразвука, различные превращения белков нуклеиновых кислот и гетероциклов.
В отсутствие аргона названные процессы не идут или идут иначе.
В обозримом будущем следует ожидать применения ксенона в хирургических клиниках в качестве идеального усыпляющего средства. Подача дыхательной смеси из 80% Хе и 20% О2 при хирургической операции выключает сознание больного.
У ксенона как анестезирующего вещества ряд достоинств он не воспламеняем, нетоксичен, может долго храниться. Его действие безынерционно — с прекращением подачи больному прекращается и наркоз.
Ксенон, как и криптон, может использоваться в медицинских рентгеновских кабинетах.
Здесь эти газы играют роль непроницаемого для рентгеновских лучей фона при просвечивании внутренних (особенно дыхательных) органов.
Газообразное состояние делает криптон и ксенон более пригодными для этой цели, чем твердые вещества, используемые сейчас.
Уже теперь ксенон оказывает врачам ценную помощь и в диагностике ряда заболеваний. Он служит контрастным веществом при просвечивании мозга (энцефалография).
Ксенон присутствует в одной из разновидностей пузырьковой камеры, используемой в физике для исследования элементарных частиц. И твердый ксенон начинает входить в практику.
Как показали Н. Г. Басов с сотрудниками, охлаждаемый жидким азотом монокристалл ксенона может служить рабочим телом лазера для накапливания энергии быстрых электронов с последующим испусканием когерентного излучения в ультрафиолетовой области.
Особое место занимают инертные газы в геологической науке и практике. Наряду с гелием (о чем говорилось выше) аргон и ксенон выступают в роли свидетелей абсолютного возраста минералов и горных пород.
Измерения абсолютного возраста теперь не редкость, так как геохронологические сведения ориентируют геологоразведчиков в поисках полезных ископаемых.
Среди методов исчисления абсолютного возраста популярен аргоновый метод, так как калийсодержащие минералы весьма распространены в природе.
Дело в том, что неизменяемый аргон — продукт распада 40К — довольно хорошо сохраняется в ряде минералов.
Напомним, что изотоп ⁴⁰К с известной скоростью отчасти превращается в 40Аr в результате захвата электрона ядром.
Следовательно, чем больше отношение концентраций 40Аr : 40К, тем древнее минерал. Метод разработан советскими учеными Э. К. Герлингом, Г. М. Ермолиным и другими и одновременно зарубежными учеными.
При измерении возраста по аргоновому методу измельченный образец породы плавят в электропечи в вакууме при температуре 1200—1300° С.
Выделяющуюся смесь аргона с другими газами пропускают над нагретой до 500—600° С окисью меди, а затем над металлическим кальцием.
Гелий, неон и аргон разделяют на угле при низкой температуре. Объем очищенного аргона замеряют манометром Мак-Леода.
Далее газ поступает в масс-спектрометр, где количественно определяется его изотопный состав.
Пример применения инертных газов
Приведем другой пример использования инертных газов. При определении запасов месторождений горючего углеводородного газа геологам нужно знать возраст газовой залежи.
Если газ более древний, чем вмещающая его порода, то залежь вторичного происхождения и газ поступил в нее из нижележащей материнской толщи.
В этом случае перспективно более глубокое бурение для поисков газа в нижних отложениях. И тут также достоверными свидетелями выступают гелий и аргон.
Соотношение их концентраций в газе, помноженное на тот или иной коэффициент, характеризует возраст залежи.
Советские ученые В. Г. Хлопин и Э. К. Герлинг разработали и впервые применили ксеноновый метод.
Он основан на том факте, что наиболее обильным продуктом спонтанного деления урана является ксенон. Метод пригоден для крупных образцов урановых минералов.
В мелких образцах количество ксенона столь мало, что не поддается измерению. Метод ценен как контрольный для сравнения с другими методами, которые строятся на принципиально иной основе.
Потенциально высокая потребность в ксеноне со стороны светотехники, медицины и массового производства фторидов ксенона для химической промышленности и космонавтики выдвигает вопрос; насколько возможно удовлетворение этих нужд до конца века?
Если производство кислорода — а с ним и ксенона — быстро возрастает в десятки раз или будет найден экономичный способ прямого извлечения криптоно-ксеноновой смеси из воздуха, минуя выделение кислорода и азота, то ответ окажется оптимистическим.