Свежие комментарии

Простое оптическое стекло

Часто в книгах про попаданцев описывают, как главный герой, сварив стекло на костре, делает чуть ли не микроскоп. Не хотелось бы разочаровывать, но ничего не получится. Если посмотреть через бутылочное стекло, то все искажается. Это происходит не столько за счет кривой поверхности, сколько за счет того, что стекло неоднородно — оно состоит из фрагментов с разными коэффициентами преломления и даже цвета. Поэтому если хочется сделать хотя бы примитивную подзорную трубу, то нужно озаботится производством стекла, хотя бы близкого к оптическому, то есть высокой однородности и прозрачности.

Вообще-то у настоящего оптического стекла есть масса влияющих на качество параметров. Самый основной. это коэффициент преломления. Во-первых — он в разных видах стекла меняется от 1,43 до 2,17. Это очень большой разброс, но современной оптике и его не хватает — создаются керамические, кварцевые или сапфировые элементы. Второй параметр — дисперсия. Луч света состоит из волн разного цвета, а у каждого цвета немного свой коэффициент преломления. Именно поэтому по краям линзы мы видим цветные ореолы. Следующий важный параметр — это коэффициент поглощения (то есть прозрачность). И последнее — эти все коэффициенты в современном стекле отклоняются на мизерные величины — порядка одной десятитысячной процента. Нам такое будет только снится, но мы и не будем пока выпускать светосильные объективы. Нам главное — однородность полученного результата.

Так из чего же делать оптические приборы?
Конечно, для фараона можно сделать очки и из горного хрусталя — но сложность его обработки очень высока. Да и технологию под него придется создавать особую, что долго, а нас все же интересует массовое производство. Вариант же с сапфиром можно вообще отбросить — с твердостью 9 по Моосу его обрабатывать куда сложнее, чем горный хрусталь. В конце концов, можно просто переплавить кварц и получить кварцевое стекло — но для этого нужно 1730°С, что совсем-совсем нетривиально для древнего мира…

Поэтому делаем из стекла.
Итак, в чем отличие технологии простого оптического стекла от стекла для бутылок?
Во-первых — стекло нужно варить в закрытых сосудах. Из-за того, что для растопки используют уголь, то угольная пыль и сажа попадают в расплав и стекло получается темным. Второе — температура для проварки должна быть достаточно высокой, выше 1500°С. При этом, чтобы расплавить стекло до состояния, когда с ним можно работать, нужно всего около 700°С. Поэтому процесс идет двухступенчато — сначала стекло проплавляют и результат выливают в воду — там он трескается, получаются так называемые фритты. Фритты перемалывают и плавят еще раз, с температурой до 1000°С. Кроме всего прочего, это дает более однородную структуру стекла, что очень важно для оптики.

Самое простое — свинцовое стекло. Но свинец, добавленный в стекло, окрашивает его в желто-оранжевый цвет. Чтобы цвет нейтрализовать, нужно вместо соды (Na2CO3) для варки свинцового стекла использовать поташ (K2CO3). Такое стекло называется «флинт» и варят его с 1635 года. Для простейших оптических приборов нам вполне подойдет.

Ну и последний секрет. В стекле попадаются так называемые «свили», это неоднородности в виде нитей (отлично видно в любой стеклянной бутылке). Нам для оптического стекла они неприемлемы. Они образуются из-за контакта расплавленного стекла со стенками горшка, в котором плавят стекло. При такой температуры стенки горшка немного плавятся и вещества из них попадают в расплав, причем чем ближе к центру, тем их меньше. При отливе эта неравномерность и образуют нитки-свили, а если плавим двухступенчато, то при переплавке фритт образуются «мошки». Чтобы их не было, требуется при варке постоянно перемешивать расплавленную массу — простым железным прутом с огнеупорным наконечником. С одной стороны элементарно. Но сделать это непросто, так как горшок будет открыт и в него попадет сажа, для такого метода варки необходимо более сложную конструкцию печи. Кроме того — стекло варят до 4-х суток (если большие горшки), что простоты не добавляет. Но с другой стороны — стекло получается настолько однородным, что двухступенчатый процесс не обязателен — стекло можно сразу пускать в использование. Вобщем — все зависит от отладки процесса на конкретном заводе.

8 комментариев Простое оптическое стекло

  • xolmc

    Ну можно добавить еще, что в работу потом берется не вся масса, а слиток обычно разбивают на части, сортируют их по размеру и показетелю преломления, и формуют и полируют каждую линзу отдельно.
    Ну, и понятное дело, чтоб не было зеленого бутылочного оттенка, содержание железа должно быть в пределах 0.01% (да-да, всего одна сотая процента!!!)
    Как обеспечить такую чистоту — тоже отдельный вопрос. Хотя, если попаданец взялся варить стекло, у него как минимум должна была быть пятерка в школе по химии 🙂

    • kraz

      Да там на самом деле проблем вагон и маленькая тележка.
      Я только самого края коснулся — там ведро таких «отдельных вопросов».

  • Виктор

    Вот из Википедии
    Началом промышленного производства оптического стекла можно считать результат многолетней работы швейцарца Гинана, которому, совместно с Фраунгофером, удалось внедрить на заводе Утцшнайдера в Бенедиктбойерне (Бавария) более или менее надёжный способ получения хорошего оптического стекла в горшках емкостью до 400 кг. Ключом к успеху был изобретённый Гинаном приём механического перемешивания расплава во время варки, круговыми движениями глиняного стержня, вертикально опущенного в стекло. В 1811 году, Гинаном и Фраунгофером, было запущено в производство два сорта оптического стекла:
    крон (72 % SiO2, 18 % K2O, 10 % CaO)
    флинт (45 % SiO2, 12 %K2O, 43 % PbO)
    Учитывая именно военное применение оптики и астрономические наблюдения, переоценить значение данных рецептов просто немыслемо. Однако состав шихты надо искать тщетельнее.

  • Виктор

    Кстати сегодня смотрел литературу по ювелирным камешка, так там сорт «стразы» нашел. Хорошая дисперсия и прозрачность.
    Состав «страз» 8,8 Поташ + 53 окись свинца + 38,2 кремнезём
    Ну там ещё буры капельку и мышьяковой кислоты. Для окраски можно добавить медь и хром 0,2 и 0,02 процента для синего цвета. Короче преломление от 1,7 до 2,3 примерно. Получится или нет оптика, а вот поддельные камушки для ювелиров вполне подойдут. Главное блеск в глазах куртизанок.
    К чему? Стекло с хорошей прозрачностью не только для оптических приборов пойдёт, но и для «дешёвых» тносительно и красивых украшений. Это реальные деньги.

  • dimav

    «Во-первых — стекло нужно варить в закрытых сосудах. Из-за того, что для растопки используют уголь, то угольная пыль и сажа попадают в расплав и стекло получается темным.»
    «Чтобы их не было, требуется при варке постоянно перемешивать расплавленную массу — простым железным прутом с огнеупорным наконечником. С одной стороны элементарно. Но сделать это непросто, так как горшок будет открыт и в него попадет сажа, для такого метода варки необходимо более сложную конструкцию печи.»
    нужна муфельная печь. она много для чего нужна (можно еще газогенератор замутить но муфель попроще будет)

  • Taras

    >оно состоит из фрагментов с разными коэффициентами преломления и даже цвета.

    Получилось: «оно состоит из фрагментов с разными коэффициентами преломления и даже с разными коэффициентами цвета». Вот только не бывает коэффициентов цвета. Здесь даже не по закону Мёрфи фигня, а просто языковая фигня, так как неоднозначностью не воняет.

  • Taras

    >называется «флинт» и варят его с 1635 года. Для простейших оптических приборов нам вполне подойдет.

    Флинт нужен не для простейших оптических приборов, а для любых, просто в сложных к нему добавляетсякрон для компенсации хроматических аберраций. Если сделать из одного крона, результат будет не лучше, а вот вместе, за счёт разности дисперсий, можно сделать приличный многолинзовый окуляр, у которого хроматические аберрации будут меньше.

  • mx

    «Поэтому если хочется сделать хотя бы примитивную подзорную трубу, то нужно озаботитЬся»
    «Вообще-то, у настоящего оптического стекла »
    «Самый основной — это коэффициент преломления.»
    «Нам такое будет только снитЬся, но мы и не будем пока выпускать светосильные объективы.»
    «Из-за того, что для растопки используют уголь, угольная пыль и сажа попадают в расплав и стекло получается темным.»
    «При отливе эта неравномерность и образует нитки-свили, а если плавим двухступенчато, то при переплавке фритт образуются «мошки».»
    «С одной стороны, элементарно.»

Leave a Reply

You can use these HTML tags

<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>