Выберите ваш филиал:
ул. Иркутская, д.3 стр. 20
+7 (495) 788-11-33
пн-пт 9:30-18:00
сб 10:00-17:00
Ярославское ш., д.146, к.1
+7 (495) 788-93-33
пн-пт 9:30-18:00
ул Складочная, 1, стр. 31
+7 (495) 788-07-80
пн-пт 9:30-18:00
МО, п. Трехгорка,
ул. Трехгорная, дом 12
+7 (495) 788-15-16
пн-пт 9:30-18:00
МО, Подольск, пр-т Юных
Ленинцев, д.70, стр. 3
+7 (495) 788-04-80
пн-пт 9:30-18:00
Миллибар - единица давления, равная 0,001 бар или 0,75 мм ртутного столба [...]
ЗЕНОН - Рекламные Поставки
Статьи

Технология электровакуумной обработки

Виктор Марков,
технолог неонового производства,
кандидат техннических наук

Продолжая разговор об электровакуумной обработке газосветных ламп, мы опишем дополнительные технологические приемы и механизмы их реализации, которые помогают стабилизировать процесс электровакуумной обработки даже в случае низкого качества комплектующих.

В зависимости от выбора способа реализации процессов обезгаживания элементов лампы и активирования электродов, а также режимов их проведения резко меняется качество готовой продукции. В частности, особую роль играют так называемые конденсируемые примеси, которые в плазме высоковольтного разряда не только не удаляются с обрабатываемых поверхностей, но и способны создавать различные полимерные образования, отравляющие люминофор и активированный слой электродов.

Современные технологии обезгаживания различных ионных приборов, например газоразрядных лазеров, обзор которых будет дан ниже, могут быть использованы в технологии неоновых ламп.

При этом предлагается модернизировать технологический процесс, не меняя его структуру кардинально, а дополнив ее некоторыми операциями из арсенала высоких технологий.

Напомним, что во время проведения основных операций в трубке протекают различные физико-химические процессы: удаляются газы и пары (откачка), десорбируются молекулы загрязнений с внутренних поверхностей (обезгаживание), загрязнения испытывают химические превращения (плазмохимические реакции), полость лампы заполняется рабочими газами. Рассмотрим отдельные аспекты технологии, чтобы выявить ее сильные и слабые стороны.

Параметры процесса

По ходу основных операций производится контроль некоторых параметров процесса, к примеру тока разряда, давления и температуры стенки трубки.

Давление и ток будем называть регулируемыми параметрами, поскольку они не только контролируются, но и меняются по ходу процесса: дискретно либо непрерывно. Температура, напротив, только контролируется, а ее изменение связано с регулируемыми параметрами и составом технологической плазмы. Контролируемые параметры обычно необходимы для оценки качества процесса и принятия решения, к примеру о переходе от одной операции к другой. В этом случае параметр, выбранный в качестве критерия качества, должен быть чувствительным к изменению физико-химических характеристик элементарных процессов, протекающих в разрядной плазме.

В случае классического термовакуумного обезгаживания температура, безусловно, является критерием эффективности проведения этой операции, поскольку процесс десорбции газов и паров носит активационный характер. Это означает, что начиная с определенной для каждого материала температуры (для стекла - 230-250 °С) скорость десорбции резко возрастает. Из этого следует, что при меньших температурах обезгазить стекло этим способом невозможно. Поэтому измерение температуры - шаг вполне оправданный. Но при ионно-плазменной обработке (ИПО) кроме термической десорбции имеют место и другие элементарные процессы, например распыление поверхностных слоев под действием ионной бомбардировки и плазмохимические реакции. Вследствие этого процесс обезгаживания носит практически безактивационный характер. Иными словами, при определенных условиях (активизирование плазмохимических процессов) обезгазить лампу в принципе становится возможным даже при 100 °С. Такие низкотемпературные процессы давно и успешно используются в технологии некоторых лазерных приборов.

В результате температура перестает быть критерием качества процесса обезгаживания, а значит, ее измерение при проведении данной операции остается лишь данью традиции. Ток разряда и давление газовой технологической среды, напротив, являются мощнейшими инструментами настройки основных процессов. Измерение тока не представляет сложности. С давлением дела обстоят несколько хуже. В большинстве вакуумных постов оно либо измеряется с низкой точностью (мембранным манометром), либо не измеряется вовсе. Вместе с тем информация об изменении давления в системе при протекании процессов обезгаживания поверхностей и активирования электродов бесценна, поскольку эта величина пропорциональна потоку газовыделения. Поэтому по изменению давления легко судить о начале и окончании элементарных процессов. Конкретные примеры того, как этим пользоваться, мы рассмотрим ниже.

Помимо перечисленных имеется еще одна группа параметров, назовем их световыми: яркость и цвет разряда. Они носят качественный характер, весьма чутко реагируют на малейшие изменения в протекании элементарных физико-химических процессов, но работа с ними требует знаний или большого производственного опыта. Опытные откачники давно и успешно пользуются этими параметрами в повседневной практике, зачастую не понимая их физического смысла. В литературе обычно приводятся только отрывочные, никак не систематизированные сведения по этому вопросу.

Роль технологической среды

В протекании элементарных процессов технологическая среда играет далеко не последнюю роль. По существующей технологии ИПО используется среда остаточных газов. Ее состав: Н20 (пар), СО, С02, азот и СНу, что существенно отличается от состава воздуха. Особо следует подчеркнуть отсутствие кислорода, который исчезает впервые секунды после зажигания плазмы. Наличие паров воды и углекислого газа обеспечивает быстрый нагрев поверхности стекла и электродов по сравнению с другими газами и парами, к примеру, азотом или инертными газами. Однако есть два неприятных момента. Во-первых, наличие на обрабатываемых поверхностях углерода и углеродсодержащих молекул в отсутствие кислорода провоцирует полимеризационные процессы, например, по такой схеме: СО + С -> СnО.

Напуск сухого воздуха

Это делает невозможным полную очистку поверхности. Кроме того, образующиеся полимерные (алмазоподобные) пленки приводят к "отравлению" люминофорного и активированного слоев. В первом случае происходят экранирование УФ-излучения ртутного разряда и подавление центров люминесценции. Во втором случае начинают играть роль геттерирующие свойства холодных катодов: при нагреве металлические поверхности электродов способны поглощать определенные газы и пары. Кроме того, геттерирующий эффект значительно усиливается за счет действия электрического поля, а именно: при бомбардировке металлической поверхности ионами химически активных газов они могут проникнуть внутрь металла (в местах дефектов структуры). Поглощенные таким образом газы при дальнейшей работе лампы способны десорбироваться под действием бомбардировки инертными газами, создавая поток газовыделения с электродов. Если этот поток велик, тогда в электродных узлах мы будем наблюдать изменение цвета разряда (белесость), но это небольшая проблема по сравнению с ускорением разрушения активированного слоя, что влечет за собой быстрый выход из строя неоновой лампы.

Периодическая откачка технологической среды в процессе обезгаживания поверхностей, а также поддержание таких параметров процесса, при которых операции обезгаживания и активирования электродов разнесены во времени, снижают опасность "отравления" активированной поверхности.

Последнее требует пояснений. В присутствии химически активных газов видоизменяется процесс превращения карбонатов щелочно-земельных металлов (Са, Ва, Sr) в их окислы. В результате образуются дефекты в активированном слое, что повышает работу выхода электронов и снижает срок службы электродов. Таким образом, используемая в технологии неоновых ламп технологическая среда не способна (при наличии углерода и углеродсодержащих молекул) обеспечить хорошее качество обезгаживания. В этом случае необходимо использовать кислородсодержащие среды. Ими могут быть чистый кислород, а также различные газовые смеси, например сухой воздух, аргонокислородная смесь и воздух, обогащенный кислородом. Наиболее удобен сухой воздух, поскольку его проще всего получить - путем пропускания потока воздуха через силикагель. Использование чистого кислорода встречает ряд трудностей, в частности это небезопасно (что относится к кислородным баллонам высокого давления). Поэтому чаще используют различные генераторы кислорода, вырабатывающие небольшие потоки этого газа. В простейшем случае можно применять знакомую со школьных времен реакцию термического разложения марганцовокислого калия. Однако в лабораторной практике обычно прибегают к процессам электролиза различных жидкостей, при которых получают водород и кислород. Такие генераторы используют, к примеру, для водородных горелок. При наличии кислорода аргонокислородную смесь получить достаточно просто: воздух обогащают кислородом путем его пропускания через специальные мембраны с селективными свойствами по отдельным газам.

Действие кислорода основано на протекании термоокислительной деструкции, при которой разрушаются связи в полимерных молекулах. Процесс разрушения длинных молекул приводит в итоге к образованию простых молекул типа СО и С02, которые легко удаляются из лампы в процессе откачки. При этом важно, что температурный порог термоокислительной деструкции значительно ниже, чем у термической деструкции. Поэтому процесс обезгаживания в присутствии кислорода протекает с высокой интенсивностью при температуре ниже 230-250 °С. Следует учитывать постоянный расход кислорода в описанных реакциях. Для его стабилизации необходимо проводить замену среды постоянно (прокачка) либо периодически (промывка). Особо следует подчеркнуть роль кислорода при работе с некоторыми типами люминофорного стекла. Во время проведения ионно-плазменной обработки на сгибах стекла наблюдается появление темных пятен, которые связаны с химическими процессами в люминофоре. Оказалось, что напуск кислородосодержащей смеси, например, воздуха, препятствует протеканию этой реакции.

Особенности технологии активирования электродов

На внутреннюю поверхность электрода для неоновых ламп в процессе его изготовления наносят специальный слой из смеси карбонатов щелочноземельных металлов (ВаСОз, SrC03, СаСОз). В процессе проведения ИПО в этом слое последовательно протекают два элементарных процесса. Во-первых, при температурах порядка 150 - 350 °С удаляются адсорбированные поверхностные загрязнения (это проходит параллельно с обезгаживанием поверхности стекла и является подготовкой к активированию электродов). Внешними проявлениями указанного процесса можно считать забросы плазмы на внешнюю поверхность. Причем чаще всего эти забросы возникают и прекращаются не одновременно, что обусловлено либо разной степенью загрязненности электродов, либо различием условий обезгаживания в ближнем и дальнем концах лампы. Важно дождаться окончания этого процесса (когда давление в лампе практически перестает расти), в противном случае дальнейшие процессы будут иметь затяжной характер, что увеличивает опасность появления углеродных пленок и распыления активного слоя. Во-вторых, при температуре около 600 °С начинается разложение карбонатов кальция, а при дальнейшем повышении температуры - карбонатов стронция и бария. В результате этого процесса образуется слой окислов соответствующих щелочноземельных металлов, а в полость лампы выделяется углекислый газ, что проявляется в виде роста газовыделения и изменения цвета разряда в электродных узлах. Заканчивается процесс при температурах порядка 800 - 830 °С.

Последний этап активирования протекает при температуре 900 - 1000 °С (красное каление) и заключается в частичном разложении окислов бария с образованием его свободных ионов. Этот последний этап не должен длиться более 20 с, чтобы не распылить активированный слой.

Из описания процесса активирования следует, что температуру нагрева электродов надо менять ступенчато с фиксацией на этапе разложения карбонатов, о времени проведения которого можно судить по изменению давления.

Однако процесс активирования чаще всего не ограничивается перечисленными процессами. За такое короткое время структура эмиссионного слоя не успевает полностью сформироваться. Поэтому после откачки продуктов газовыделения следует промывать лампу инертным газом (неоном либо гелием) со ступенчатым отбором тока от 200 до 600 мА при ступенчатом уменьшении давления от 8-10 до 0,5 Тор. При этом также стабилизируется процесс обратного газовыделения химически активных газов из приповерхностного слоя электродов. Выбор промывочного газа - задача приоритетная, поскольку кроме стабилизации эмиссионных характеристик промывка способствует уменьшению потока газовыделения со стенок стеклянной трубки (финишная очистка). Эффективность финишной очистки увеличивается при использовании более легкого газа (гелия), а стабилизация эмиссии требует применения более тяжелого газа (неона). Выбор промывочного газа должен определяться конкретной ситуацией. К примеру, при "грязных" электродах предпочтительнее неон.

Примеры проведения электровакуумной обработки

В данном разделе будут приведены описания реальных примеров изготовления ламп. Сопроводительные комментарии прояснят роль дополнительных операций в обеспечении качества готовой продукции.

Сорбционный фильтр
Пример 1. Лампа диаметром 15мм изготавливалась на ручном откачном посту. Во время проведения операций электровакуумного цикла измерялись следующие параметры: ток разряда и давление в откачной системе (с помощью вакуумметра 13ВТЗ, снабженного манометрическим датчиком ПМТ-6-ЗМ) в диапазоне от 3-4 до 3-103 Тор. Дополнительно визуально оценивались световые эффекты в разряде.

После предварительной откачки и зажигания разряда начался процесс обезгаживания стекла. Он сопровождался повышением давления, которое поддерживалось в диапазоне 2-3 Тор, ток разряда - в диапазоне 200-250 мА. Цвет разряда в начале процесса - молочно-белый с синим отливом, что характерно для смеси паров воды. Через 40 с давление перестало расти, что говорит о завершении процесса. При повышении тока до 300 мА появились забросы плазмы на внешнюю сторону электродов, исчезнувшие через 10 с. После этого цвет разряда изменился - появился желто-красный оттенок. Процесс обезгаживания поверхностей электродов вышел на завершающую стадию. Давление повышалось незначительно, что говорит об относительной чистоте электродов. Металлические поверхности потемнели и начали медленно прогреваться  - процесс обезгаживания завершился.

Давление снизили до 1 Тор, а ток повысили до 350-400 мА. При этом скорость изменения давления резко возросла, а цвет разряда стал молочно-белым, что указывает на появление углекислого газа. Параметры процесса поддерживались в указанных пределах до начала снижения скорости газовыделения. После этого давление снизили до 0,5 Тор, а ток повысили до 700 мА. Скорость увеличения давления продолжала падать, а электроды прогрелись до красного каления в течение 20 с. К концу этого времени рост давления стал незначительным. Основной процесс активирования завершен. Лампу откачали механическим насосом до 102 Тор. Откачку прекратили, лампу заполнили неоном до 8 Тор и зажгли разряд при токе 200 мА. Давление дискретно уменьшали до 1 Тор, одновременно повышая ток от 200 до 600 мА. Через 5 с в электродных узлах установился разряд красно-желтого свечения, а белесость полностью исчезла. Основная часть процесса активирования была завершена. После этого лампу откачали до предельного остаточного давления и заполнили смесью К-4. Затем лампу отсоединили от поста (отпайка), а в ее внутреннюю полость опрокинули ртуть. Во время тренировки в течение 10 мин. установились стандартный цвет и яркость разряда. Признаки дефектов не обнаруживались. Описанный процесс проведен по стандартной технологии, что обусловлено высоким качеством электродов и стекла. Благодаря контролю за изменением давления в вакуумной системе время проведения операции удалось свести к разумному минимуму.

Пример 2. Основные стадии процесса полностью аналогичны примеру 1. Однако на этапе промывки неоном выяснилось, что цвет в одном из электродов - молочно-белый.

Было решено провести дополнительный процесс активирования в неоне. После прогрева электродов до красного каления лампу откачали до предельного значения остаточного давления и дополнительно промыли неоном. Цвет неонового разряда установился сразу. При последующем окончательном заполнении газом лампа вела себя так же, как в примере 1. В силу неизвестных причин электроды этой лампы имели разную степень загрязнения и поэтому неодинаково обезгаживались и активировались. Дополнительное активирование проводилось в условиях неравномерной газовой среды. В области недоактивированного электрода, вследствие сильного газовыделения, наблюдалось повышенное содержание молекулярных газов, поэтому его разогрев шел заметно интенсивнее. Это и дало возможность выровнять эмиссионные характеристики обоих электродов. Однако такой прием срабатывает только при умеренных степенях загрязнения.

Пример 3. Аналогично примеру 2 при промывке в электродных узлах наблюдался молочно-белый разряд. Дополнительная операция активирования не изменила цвета разряда. Возможная причина - загрязнение лампы конденсируемыми примесями (углеводородами).

В лампу напустили сухой воздух, после чего повторно провели электровакуумную обработку. Промывка показала наличие нормального "неонового" цвета разряда в электродных узлах. Окислительная среда способствовала разрушению органических молекул.

Пример 4. Изготавливалась лампа из прозрачного стекла. Во время операции обезгаживания в отдельных местах трубки разряд приобрел ярко-желтую окраску. Локализация цвета говорит о наличии пылевых частиц в объеме лампы. После выключения разряда на поверхности трубки в этих местах наблюдались пленки темного цвета - результат полимеризации органических молекул.

В лампу напустили сухой воздух и повторно провели обезгаживание. Пленки постепенно исчезли. Повторили напуск воздуха, после чего процесс изготовления лампы был доведен до конца по стандартной технологии.

В результате проведения дополнительных операций промывки сухим воздухом удалось сохранить внешний вид лампы и избежать постоянного загрязнения неона углеводородами. Качественная лампа была получена в условиях сильного загрязнения стеклянной трубки пылевыми частицами. В этом случае стандартная технология обработки лампы привела бы к образованию темных пятен и "поясков" на внутренней поверхности стекла, к "белесости" цвета разряда и снижению срока службы.

Пример 5. Изготавливалась лампа из прозрачного стекла. Спустя некоторое время на тренировке ГЛ показала наличие белесого свечения в центре трубки. Состояние оборудования и газов нормальное, течей в вакуумной системе не обнаружено. Выяснилось, что в условиях проведения процесса изготовления изменился один фактор: в производственном помещении температура превышала нормальную, вследствие чего масло в насосе нагрелось выше обычного значения. Следовательно, возможная причина возникающего дефекта - загрязнение лампы обратным потоком масла из насоса.

Следующая лампа была изготовлена с использованием промывки сухим воздухом, а отпайку осуществляли, не дожидаясь остывания лампы. Дефект исчез. Повторное изготовление первой лампы также привело к исчезновению эффекта "белесости". Все последующие лампы изготавливались только с применением промывки сухим воздухом. Кроме того, было решено заменить масло в насосе для уменьшения обратного потока масляных паров.

Пример 6. Изготавливалась лампа из стекла с двойным напылением.

Дроссель плавного
напуска
В отличие от ранее описанных случаев наблюдался повышенный поток газовыделения, из-за чего время обезгаживания пришлось увеличить. Кроме того, во время обезгаживания электродов забросы плазмы на внешнюю сторону электродов начинались не одновременно и были длительными. В результате на поверхности керамической втулки электродов появилась пленка черного цвета (углеродная полимерная пленка).

Предположительно внутренняя поверхность электрода также была покрыта подобной пленкой. В таких условиях нельзя проводить процесс активирования, поскольку структура активированного слоя будет дефектной, что скажется на сроке службы электродов. Поэтому была произведена промывка сухим воздухом. Активный кислород способствовал быстрому разрушению полимерной пленки. Полученная лампа на тренировке не показала видимых дефектов. Нужно обратить внимание не только на факт сильного загрязнения комплектующих (трубки и электродов), но и на роль временного фактора. Вынужденное увеличение времени обработки привело к накоплению продуктов полимеризации. Отсюда можно сделать вывод - обрабатывать лампу долго, без замены технологической газовой среды опасно.

Пример 7. В самом начале процесса обезгаживания наблюдалось сильное увеличение давления, вследствие чего происходило гашение разряда.

Был использован метод "дросселированной откачки", при котором скорость откачки устанавливается примерно равной скорости газовыделения. При этом происходит частичное удаление продуктов газовыделения. При использовании этого режима в процессе обезгаживания давление в системе постепенно уменьшается, а ток растет, что способствует плавному переходу вначале к обезгаживанию электродов, а затем и к процессу активирования, о начале которого говорят рост давления в системе и изменение цвета разряда в электродных узлах. В этот момент необходимо вновь согласовать скорость откачки со скоростью газовыделения. В результате мы вновь наблюдали ту же картину: давление в системе постепенно падало (скорость газовыделения уменьшалась по мере протекания реакции разложения карбонатов), плавно возрастал ток, а с ним и температура поверхности электродов. По достижении давления 0,5 Тор ток разряда увеличили до максимального значения (для данного типа электрода) и через 10 с процесс активирования был завершен. В изготовленной таким образом лампе дефектов не обнаружено.

Следует отметить два важных момента. Во-первых, не наблюдалось появление пленок, так как не происходило накопление опасных продуктов газовыделения. Во-вторых, время обработки было сокращено.

На пути к совершенствованию

Рассмотрение элементарных процессов позволило нам выявить слабые места существующей технологии и выработать приемы, которые позволяют изготавливать неоновые лампы даже в условиях сильного влияния негативных факторов: загрязнений конденсируемыми примесями и обратным потоком паров масла из насоса. В качестве приемов борьбы с негативными факторами предлагается промывка технологической среды сухим воздухом (однократная либо периодическая), а также неоном после проведения активирования электродов.

Операция промывки инертным газом (неоном) выполняет две функции: замещает молекулы загрязнений на поверхностях, стабилизирует и выравнивает потоки газовыделения с электродов, а также улучшает структуру активированного слоя.

На конкретных примерах было показано, как можно управлять процессом изготовления ламп с помощью основных параметров - тока разряда и давления технологической среды, а также дополнительных, например цвета разряда.

Эффективность дополнительных операций и расширенная параметрическая база позволяют по-новому взглянуть на проблему совершенствования вакуумных постов. Особенности протекания элементарных процессов, которые были рассмотрены выше, показывают, что линейная структура процесса, описанная в пяти пунктах (см. врез), реализуется далеко не всегда, а только при высоком качестве комплектующих. В противном случае требуется гибкость, которая выражается в использовании различных промывок (кислородсодержащие смеси, инертные газы) либо в повторении отдельных операций, что, конечно, удлиняет процесс, но и делает его более стабильным. Гибкость проявляется также в том, что временные интервалы отдельных операций не строго фиксируются, а выбираются в зависимости от контролируемых параметров. Чем больше параметрическое пространство, тем точнее осуществляется переход от одного этапа процесса к другому. В ручном режиме подобный гибкий алгоритм реализуется легко и просто. Автомат сделать структурно гибким значительно сложнее. Поэтому основным направлением совершенствования автоматического откачного оборудования следует считать повышение гибкости программного алгоритма.