Выберите ваш филиал:
ул. Иркутская, д.3 стр. 20
+7 (495) 788-11-33
пн-пт 9:30-18:30
сб 10:00-17:00
ул. Енисейская, 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
U-образный манометр - тип масляного манометра для измерения давления в трубках, изготовленный в виде стеклянной дуги. Единица измерения - миллиметры ртутного столба. [...]
ЗЕНОН - Рекламные Поставки
Статьи

Откачка газосветных ламп

Виктор Марков

Как правило, термин "откачка" ассоциируется со всем процес­сом изготовления неоновой лампы на вакуумном посту. Поэ­тому может сложиться впечатле­ние, что эта операция и средства ее реализации (насосы) - чуть ли не главные факторы, определяющие качество неоновой продукции. В дальнейшем мы увидим, что откачку следует счи­тать необходимым, но недоста­точным условием производства качественных ламп.

Откачка - одна из операций электровакуумного цик­ла изготовления газосветных ламп, заключающаяся в удалении газообразных примесей из вакуумной сис­темы поста с помощью вакуумного насоса. Под газо­образными примесями будем понимать молекулярные газы, пары воды и ртути, а также пары низкомолеку­лярных органических веществ. Примеси указанно­го типа, обладая большой летучестью, сравнительно легко десорбируются с поверхности и удаляются на­сосом. Другая часть примесей - тяжелые углеводоро­ды, напротив, малоподвижны и поэтому практически не удаляются из лампы и вакуумной системы поста. В плазме разряда эти примеси подвергаются полиме­ризации, что приводит к отравлению люминофорного слоя и активированной поверхности электродов.

Считается, что для нормальной работы лампы не­обходимо, чтобы давление остаточных газов в ней не превышало 10-3 Тор (10-1 Па). Однако на практике это понятие ошибочно отождествляют с предельным значе­нием остаточного давления в вакуумной системе поста, которое замеряется вакуумметром. Посмотрим, к чему это приводит.

Предельное давление остаточных газов в вакуумной системе определяется следующим образом:

Pпр= (Qг+Qобр+Qн) / Sн, где


Pпр - значение предельного вакуума в системе;

Qг - поток газовыделения со стенок вакуумной систе­мы и неоновой лампы;

Qобр - обратный поток паров масла из насоса (для масля­ных насосов);

Qн - поток натекания в систему (для герметичных систем Qн = 0);

Sн - скорость откачки насоса.


Из приведенной формулы видно, что увеличения вакуума можно добиться либо путем снижения потоков Qг, Qобр, либо с помощью увеличения скорости откачки насоса. При использовании высоковакуумных насосов можно легко получить давление в системе на уровне 10-3-10-6 Тор даже без прогрева лампы. Однако такая лампа после заполнения и отпайки работать не будет, поскольку при отсутствии откачки давление в лампе (за счет газовыделения) возрастет до величины, превышающей 10-3 Тор. Иными словами, "откачка" не в состоянии уменьшить значение Qг. Это до­стигается только в процессе проведения ионно-плазменной обработки (бомбардинга).

В лампе, прошедшей такую обработку, поток газовы­деления имеет предельно низкое значение, а давление ос­таточных газов является результатом установления динамического равновесия двух процессов - газовыделения с внутренних поверхностей лампы и газопоглощения активными поверхностями электродов (эффект ионной откачки). По величине скорость такой откачки мала, од­нако ее вполне хватает для поддержания давления оста­точных газов на требуемом уровне (10-3 Тор).

Таким образом, главную роль в обеспечении качест­ва неоновых ламп играет ионно-плазменная обработ­ка, в результате которой снижается значение потока газовыделения внутрь лампы. Откачка может только ускорить процесс уменьшения этого потока во времени, что, впрочем, мало влияет на срок изготовления лампы, который лимитирован периодом остывания лампы и вспомогательными операциями. Лампы, изготовленные с использованием высоковакуумной откачки, при про­чих равных условиях по качеству не превосходят ламп, произведенных с использованием только форвакуумного (низковакуумного) насоса. Это говорит о том, что в процессе изготовления проявляются негативные фак­торы, которые способны свести на нет преимущества высоковакуумной откачки. К примеру, это загрязнения, вносимые в лампу во время ее отпайки от поста. Если на стенках штенгеля нет слоя органических молекул, элек­троды довольно быстро справляются с этими загрязне­ниями. Другой фактор связан с устройством и принци­пом работы насоса.

Рис 1. Зависимость изменения удельного
потока газовыделения от времени
проведения операции откачки:
1 - откачка механическим (форвакуумным)
насосом;
2 - откачка диффузионным насосом;
3 - откачка механическим насосом с
промывкой инертным газом

Большинство используемых в газосветном производс­тве насосов - маслонаполненные насосы. Для них характерно на­личие так называемого обратного потока паров масла, который заносит в вакуумную систему поста углеводоро­ды, то есть самые вредные для ламп загрязнения. Особен­но сильно этот эффект проявляется в момент остывания лампы после прогрева, когда чистые поверхности начина­ют активно поглощать остаточные газы. Если температура насоса выше, чем у откачиваемого объекта, то обратный поток будет существовать до тех пор, пока вся рабочая жидкость из насоса не переместится в лампу. Таким обра­зом, длительная откачка ламп снижает их качество.

Использование высоковакуумного насоса позволяет быстрее снизить значение Qг до приемлемой величины (рис. 1). В этом заключается основной смысл использова­ния диффузионного насоса. Однако это далеко не единс­твенный и эффективный путь борьбы с обратным загряз­нением углеводородами.


Откачные средства для неонового производства

Как говорилось выше, одним из основных крите­риев выбора насоса для вакуумного поста следует считать величину обратного потока масла. Поэтому наиболее предпочтительными считаются так назы­ваемые безмасляные насосы - механические, турбомолекулярные, сорбционные, магнитные элект­роразрядные.

Перечисленные типы насосов позволяют карди­нально решить проблему создания "безмасляного" вакуума в откачных постах. Однако распространение этих насосов сдерживается их высокой стоимостью и необходимостью квалифицированного обслуживания. Тем не менее, в автоматических и полуавто­матических постах, предназначенных для крупного производства, использование, к примеру, турбомолекулярных насосов в сочетании с безмасляными форвакуумными становится вполне оправданным.

Но есть и другой путь решения этой проблемы. Производители вакуумной техники давно и успешно используют различные методы и средства сокраще­ния обратного потока паров из маслонаполненных насосов, позволяющие существенно снижать опас­ность органического загрязнения неоновых ламп.


Методы снижения обратного потока масла

Все методы можно условно объединить в две группы, одна из которых связана с подбором рабочих жидкостей и стабилизацией процесса парообразования, а вторая с улавливанием молекул масла, которые поступают противопотоком в вакуумную систему поста.

В механических насосах, наиболее часто использу­емых в вакуумных постах, для уменьшения обратного потока рекомендуется использовать синтетические масла, предназначенные для диффузионных высоко­вакуумных насосов. Так, для российских насосов чаще всего применяют масла марок ВМ-1, ВМ-5 или их за­рубежные аналоги, к примеру, Alcatel №100. В случае применения высоковакуумных масел в механических насосах значение предельного вакуума и загрязнение обратным потоком снижается примерно в пять раз. Еще большие сложности возникают при выборе масла для диффузионных насосов. В этом случае величина об­ратного потока связана не только с параметрами масла, но и с конструктивными особенностями насосов.

В процессе откачки ламп масло в насосе может за­грязняться частицами люминофора и парами воды, что активирует процессы его разложения (деструк­ции). Следует учитывать и возможность "прорыва атмосферы" при случайной разгерметизации ламп. Поэтому масло должно обладать высокой стойкос­тью к деструкции, что характерно для силиконовых (кремнийорганических) масел, которые чаще всего используются в стеклянных диффузионных насосах неоновых откачных постов. Это связано с тем, что в подобных насосах отсутствует система принуди­тельного охлаждения, которое замедляет процессы деструкции. Однако масла этой группы имеют срав­нительно невысокие вакуумные характеристики, что ограничивает их применение в высоковакуумных диффузионных насосах. Но поскольку стеклянные насосы относятся к средневакуумным, то использо­вание в них силиконовых масел вполне оправданно. Увеличения скорости откачки и предельного вакуума можно достичь путем применения синтетических ма­сел либо полифениловых эфиров (ПФЭ). В последнем случае предельный вакуум повышается сразу на три-четыре порядка. Однако эти масла более подверже­ны деструкции и поэтому требуют принудительного охлаждения насоса. Разработаны специальные при­садки для синтетических масел, повышающие их тер­моокислительные свойства до уровня силиконовых масел. Такие модифицированные масла могут успеш­но использоваться в насосах с естественным охлаж­дением.

Характеристики диффузионных насосов (обрат­ный поток и предельное остаточное давление) весь­ма чувствительны к температуре нагрева. С увели­чением температуры остаточное давление сначала уменьшается, а затем, достигнув минимума, вновь начинает расти вследствие увеличения обратного потока. Для сокращения обратного потока темпера­туру нагрева стабилизируют с помощью специаль­ных электронных устройств. Однако следует учиты­вать, что для достижения оптимальной температуры необходимо подстраивать режим нагрева печи. Это требует знания свойств вакуумных масел, посколь­ку может стать причиной загрязнения вакуумной системы поста и, следовательно, снижения качества продукции.


Вакуумные ловушки

Вторая группа методов борьбы с обратным потоком масла связана с использованием специализированных средств - вакуумных ловушек, предотвращающих про­никновение паров масла из насоса в вакуумную систему, а также паров воды и частиц люминофора из вакуумной системы в насос. По принципу действия различают механические, низкотемпературные (вымораживающие) и адсорбционные ловушки. По месту расположения они бывают форвакуумными (на входе механического на­соса) и высоковакуумными (на входе диффузионного насоса).

Ловушки должны, во-первых, хорошо защищать неоновую лампу от проникновения в нее паров ра­бочей жидкости. Во-вторых, они не должны снижать быстроту действия насосов более чем на 30-40%. В-третьих, конструкция ловушек должна допускать периодическую очистку и регенерацию (последнее относится к их адсорбционным типам).

Наиболее эффективными являются выморажи­вающие ловушки, охлаждаемые жидким азотом. Однако высокая стоимость и малая доступность де­лают практически невозможным использование их в неоновом производстве. Поэтому предпочтение следует отдавать механическим и адсорбционным ловушкам.

Колпачковый маслоотражатель Угловая
ловушка
Коническая
кольцевая
Рис 2. Защитные элементы вакуумных ловушек

Механические высоковакуумные ловушки явля­ются наиболее простыми. Их действие основано на эффекте отражения потока молекул пара от различ­ных препятствий, которыми могут служить металли­ческие фильтры, сетки, наконец, клубок металличес­кой проволоки или стружки, а также их сочетания. Обычно подобные ловушки изготавливают индиви­дуально для конкретной установки, но известны и унифицированные конструкции, к примеру, улавли­ватель 346-й серии фирмы VARIAN.

Механические ловушки обычно встраиваются в конструкцию диффузионного насоса в виде разно­го рода отражателей. Наиболее часто встречающи­еся типы таких ловушек представлены на рис. 2. В некоторых типах насосов предусмотрено водя­ное охлаждение, что существенно повышает эф­фективность защиты. Стеклянные диффузионные насосы не имеют ловушек, что делает их исполь­зование в откачных постах опасным. Если перио­дически не производить очистку вакуумной сис­темы от органических загрязнений, то качество неоновой продукции будет постепенно ухудшать­ся. В неоновых лампах появляется "белесость", ко­торую ошибочно принимают за действие остаточ­ных ртутных паров.

Принцип действия адсорбционных ловушек ос­нован на поглощении газов и паров специальными веществами (адсорбентами или молекулярными си­тами), к числу которых принадлежат силикагель, акти­вированный уголь, цеолиты и др. Поскольку для этих веществ характерна избирательность поглощения по различным газам, то чаще всего в ловушках использу­ют сочетания сорбентов. Рассмотрим два примера.

Рис 3. Сорбционная форвакуумная
ловушка:
1 - корпус;
2 - входной фланец;
3 - сорбент
На рис. 3 представлен эскиз форвакуумной ло­вушки. Она представляет собой герметичный кор­пус с фланцами для подсоединения к механическому насосу и к вакуумной системе. В корпусе установлен сменный пакет с тремя слоями различных сорбен­тов. Нижний слой - активированный уголь, обла­дающий наибольшей сорбционной емкостью по па­рам масла, средний слой - оксид алюминия, верхний слой - силикагель, который активно поглощает пары воды, способные конденсироваться в насосе, и препятствует снижению сорбционной активности двух нижних слоев. Подобная ловушка может работать в течение трех-четырех недель до исчерпания сорбционной емкости. После этого следует либо произвести замену пакета, либо провести регенерацию, при которой выполняется нагрев сорбента при постоянной откачке насосом. Полость ловушки должна изолиро­ваться от вакуумной системы поста. Большинство промышленных ловушек, к примеру ЛС2 (Россия), улавливатель 345-й серии (фирма VARIAN), а так­же ловушка ST 25С (фирма ALCATEL), снабжаются встроенной системой регенерации.

Заметим, что сорбционная ловушка создает за­метное сопротивление потоку откачиваемых газов, причем наибольшее снижение скорости откачки наблюдается по инертным газам. Это не так важ­но, поскольку они являются рабочими газами для газосветной лампы. А по молекулярным газам - во­дяному пару, угарному и углекислому газам - ско­рость откачки даже выше, что обусловлено свойс­твами силикагеля. Активно сорбируются и ртутные пары, что защищает от зартучивания. Таким обра­зом, использование сорбционной форвакуумной ловушки способно заметно повысить качество не­оновых ламп.

Рис 4. Сорбционная высоковакуумная
ловушка:
1 - корпус ловушки;
2 - сорбент
Конструкция высоковакуумной сорбционной ло­вушки несколько иная (рис. 4). В них используется лабиринтный принцип расположения слоев сорбента. Кроме того, нет необходимости в защите от водяных паров, которые хорошо откачиваются маслом диффу­зионного насоса.

В заключение подведем итоги предпринятого иссле­дования проблем откачки газосветных ламп.

Во-первых, качество газосветных ламп определяет­ся не столько вакуумными характеристиками насосов, сколько качеством проведения электровакуумной обра­ботки и величиной загрязнения вакуумной системы ор­ганическими примесями, причиной которого является обратный поток паров масла из вакуумных насосов.

Во-вторых, снижение величины органических за­грязнений возможно за счет использования как без­масляных откачных средств, так и специальных ме­тодов и инструментов защиты, включая вакуумные ловушки.

Таким образом, усилия разработчиков откачных постов и технологов неонового производства долж­ны быть направлены на усиление не столько вакуум­ных свойств откачного оборудования, сколько защи­ты от органических загрязнений за счет модернизации.