Quest’articolo non riguarda direttamente l’orologio, nonostante faccia parte della serie di articoli scritti per l’esame di maturità. Non riguarda neanche tutti gli altri argomenti scolastici più o meno connessi al mio progetto. Lo scrivo per spiegare i risultati di una serie di esperienze e analisi, volte a determinare il ruolo dello sputtering nell’emissione luminosa dei tubi nixie.
Le ipotesi di funzionamento da cui partiamo sono essenzialmente due: la prima è che l’emissione luminosa sia prodotta dal gas all’interno del tubo, la seconda è invece che l’emissione sia prodotta dagli atomi sputterati del catodo. Sulla rete sono disponibili fonti che riportano entrambe le versioni, e tutte le fonti sembrano concordare sull’implicazione dello sputtering nelle nixie, ma non sulla rilevanza di questo nell’emissione luminosa. Citiamo ad esempio l’utente sh37211 in questa discussione in un forum specializzato, che sostiene che lo sputtering concorra a formare l’emissione luminosa, e di contro la voce di wikipedia inglese sulle nixie che presenta lo sputtering nelle nixie come fenomeno non desiderabile, motivo di usura e soggetto al tentativo di riduzione da parte dei produttori.
L’ipotesi che vede lo sputtering come fenomeno di emissione luminosa, comunque meno accreditata della prima, potrebbe essere sostenuta da un’evidenza sperimentale: durante alcune operazioni di test con un tubo IN-12(leggermente diverso dall’IN-14 usato per l’orologio, ma prodotto dalla stessa fabbrica nello stesso periodo e con simili caratteristiche) si è presentato nel tubo un bagliore azzurro, che non sarebbe coerente con la teoria che vuole l’emissione da parte del gas. Essendo presente un unico gas nel tubo, questo dovrebbe emettere luce nella stessa lunghezza d’onda uniformemente.
Se fosse avvalorata l’ipotesi di emissione da parte del gas, nello spettro riscontreremo le linee caratteristiche di questo gas(con grande probabilità una miscela di Penning o una miscela di neon e mercurio), se invece fosse avvalorata l’ipotesi dell’emissione da parte del metallo sputterato, nello spettro troveremmo le linee caratteristiche del metallo.
La prima operazione è ottenere lo spettro di emissione della nixie. Per far questo è necessario uno spettroscopio, in questo caso ne è stato usato uno a prisma per le fotografie e uno a reticolo(1000 linee/mm) per le misure delle lunghezze d’onda.
La luce prodotta da una nixie viene fatta entrare attraverso una fenditura di ampiezza regolabile all’interno dello strumento. Per ridurre le interferenze della luce ambientale la nixie viene coperta da un tubo di cartone nero con un’apertura frontale, in modo che solo la luce della nixie entri nello strumento. La luce passa all’interno del primo tubo, dove un prisma triangolare la divide nelle sue componenti spettrali, che vengono proiettate in un secondo tubo. All’estremità del secondo tubo è presente un oculare e una fotocamera, per acquisire l’immagine dello spettro. Il terzo tubo, più corto, è usato per proiettare all’interno dello strumento una scala numerata, che è stata oscurata in questo caso.
Da questo spettro si notano numerose righe nel giallo e nel rosso, alcune righe nel verde e una nel blu. È necessario, per poter utilizzare questo dato, misurare la lunghezza d’onda delle varie linee. Di questo problema ci occuperemo più avanti con l’uso di uno spettroscopio a reticolo di diffrazione.
Ora è necessario determinare di quale metallo sono composte le cifre. Per far questo è necessario fare un sacrificio: dovremo aprire una nixie e quindi distruggerla. È sempre un peccato dover danneggiare un dispositivo non più in produzione, ma fortunatamente si tratta di una nixie danneggiata, in cui la cifra 2 non è utilizzabile perché distrutta. Una volta aperta la analizzeremo con un microscopio elettronico a scansione, facendo un’analisi EDX per determinare la composizione. Per aprirla utilizzeremo un disco da taglio e un trapano manuale
La procedura non è particolarmente difficile, ma richiede del tempo per essere portata a termine. Indossiamo degli occhiali di protezione per evitare che possano arrivare frammenti di vetro negli occhi. Iniziamo incidendo la linea di taglio lungo tutto il perimetro. In questo modo se il tubo dovesse creparsi durante il taglio, lo farà nel punto più debole, cioè quello che abbiamo inciso. Fatto questo iniziamo a tagliare, stando attenti a non far surriscaldare il disco e il vetro. Come previsto una crepa si forma lungo l’incisione, risparmiandoci di dover portare a termine manualmente il taglio. La nixie è ora aperta.
Con il tubo aperto si nota un piccolo disco all’interno. Ha l’aspetto di un materiale poroso ma non è possibile dedurne l’utilità. Si noti che è presente anche nei tubi IN-14, utilizzati per l’orologio. Analizzeremo anche questo con il microscopio.
A questo punto rimuoviamo i fermi che tengono unite le cifre, e procediamo a disassemblare strato per strato la nixie. Tra le varie cifre, quelle più interessanti da osservare al microscopio sono lo zero e il tre. Il primo presenta un alone più scuro sul lato sinistro, e il tre presenta lo stesso alone sullo spigolo in alto a sinistra.
Prepariamo quindi il campione con lo zero, il tre, il due(per vedere il punto di rottura), il disco poroso e la griglia anodica. Quest’ultima viene divisa in due, in modo da poter osservare sia la superficie esposta verso l’osservatore che quella esposta ai catodi.
Dai punti di analisi EDX risulta che la composizione delle cifre è:
| (Percentuali in peso) | Si-K | Cr-K | Fe-K | Ni-K | Hg-L |
| nixie griglia tre 60x(2)_pt1 | 0.94% | 17.32% | 1.75% | 78.35% | 1.64% |
Ci sono quindi tracce di silicio, sotto l’1%, un’importante presenza di cromo, tracce di ferro, una grande presenza di nichel e tracce di mercurio. Va specificato che questi dati riguardano unicamente la composizione superficiale, potrebbero quindi essere facilmente contaminati, soprattutto per quanto riguarda le tracce. La composizione di questa lega ricalca il nicromo, una lega metallica usata per le resistenze elettriche, composta da 80% nichel e 20% cromo. Potrebbe trattarsi di questa lega con impurità o di una lega molto simile. La presenza di mercurio fa sospettare che il gas dentro i tubi sia neon con vapori di mercurio, ipotesi che spiegherebbe il bagliore blu di cui sopra.
La griglia anodica risulta invece costituita da 100% ferro. È interessante notare che sono usati materiali diversi per griglia e cifre. È possibile che questo sia dovuto al fatto che il diverso peso degli atomi delle cifre li rende più resistenti (o più propensi) allo sputtering. La griglia anodica invece può essere fabbricata in semplice ferro, più economico, in quanto non soggetta a sputtering.
Abbiamo parlato prima di alcune macchie nere sullo zero e sul tre. A tredicimila ingrandimenti queste parti risultano molto granulose.
Si nota sulla superficie che sono presenti regioni più luminose in rilievo e regioni meno luminose piane. Analizzando i raggi x caratteristici(EDX) di queste due aree si osserva che le parti più luminose possiedono un tenore molto più alto di mercurio(fino al 10% di mercurio in peso), rispetto alle aree piane che ne contengono al massimo l’1%, ma spesso meno di 0.5%.
Il disco che ad occhio nudo sembrava costituito da un materiale molto poroso, ad osservazioni ad alto ingrandimento si è confermato tale.
Il disco si è rivelato essere composto quasi esclusivamente di titanio, con piccole tracce di cromo, nichel e rame. Conoscendo il materiale di cui è composto e la struttura a livello microscopico, è stato possibile risalire alla sua funziona. Si tratta di un getter, cioè un materiale di metallo sinterizzato, usato nei tubi a vuoto. Nello specifico ci troviamo di fronte a un getter poroso non evaporante. Troviamo traccia di un simile dispositivo nel brevetto US3082174A, pubblicato precedentemente alla fabbricazione dei tubi nixie analizzati. Questi dispositivi servono per mantenere costante il vuoto all’interno dei tubi elettronici, perché adsorbono sulla loro superficie molecole gassose, che rilasciano nel caso la pressione ambientale interna al tubo diminuisca. Al contrario dei tradizionali getter evaporanti (che lasciano il tipico effetto a specchio sulle sommità delle valvole elettroniche), questi getter restano solidi per l’intera durata della loro vita utile. Questo consente loro di continuare a mantenere la loro funzione di bilanciare la pressione interna per l’intera durata della vita del tubo.
Nel prossimo articolo vedremo come confrontare i dati ottenuti al microscopio elettronico con i dati dello spettro ottenuti con lo spettroscopio a reticolo.
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