Выберите ваш филиал:
ул. Вольная, 28
+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
Диффузионный насос - вакуумный насос, действие которого основано на диффузии молекул откачиваемого газа в струю паров масла, истекающей из сопла [...]
ЗЕНОН - Рекламные Поставки
Статьи

Технология неонового производства

Виктор Марков
технолог неонового производства, к.т.н.

Этой статьей мы начинаем разговор об общих проблемах технологического процесса изготовления газосветных установок. Первая часть, предлагаемая читателю, посвящена электровакуумной обработке.

С выходом в свет книги Александра Афанасьева "Неон: только то, что нужно знать" и ряда журнальных публикаций тему начального освоения неоновой технологии можно, казалось бы, благополучно закрыть. Информационный вакуум заполнен добротными описаниями основных технологических операций, сформулированы требования к оборудованию и практические рекомендации, направленные на повышение качества продукции. Однако существует по крайней мере два обстоятельства, заставляющих постоянно возвращаться к "хорошо знакомым" вопросам.

Первое связано с дефектами неоновых ламп, не объяснимыми с точки зрения традиционной модели процессов их обработки на откачном посту и не устраняемыми в рамках существующей технологии. В обобщенном виде это проблема устойчивости технологического процесса.

Второй важной причиной повышенного интереса к вопросам технологии является совершенствование оборудования. При этом задачи по модернизации откачных постов должны ставиться исходя из реальных, а не мнимых проблем технологии. А следовательно, сначала нужно совершенствовать технологические приемы, и только потом - "железо".

Устойчивость процессов обработки ламп

Прежде всего поговорим о терминологии. В технической литературе действия, производимые над газоразрядными приборами, к которым относятся и неоновые лампы, принято называть операциями электровакуумного цикла. Он включает в себя:

  • обезгаживание внутренних элементов прибора: в нашем случае стеклянной трубки и электродов;
  • активирование эмиссионного слоя электродов;
  • заполнение лампы рабочим газом.

Все остальные операции - подсоединение к посту, откачка, контроль за параметрами процесса, отсоединение от вакуумной системы - являются, по сути, вспомогательными.

Кроме перечисленных необходимо выделить так называемые предварительные операции, во многом определяющие исходную чистоту отдельных элементов. Имеются в виду процессы изготовления комплектующих, их транспортировка и хранение, огневая обработка и условия межоперационного хранения. Они определяют структуру и количество исходных загрязнений, которые оказывают непосредственное влияние на ход основных процессов, перечисленных выше.
Дадим краткую характеристику каждой из приведенных операций.

Обезгаживанием называют операцию удаления примесей, адсорбированных на поверхностях внутреннего объема газосветной лампы.

Операция активирования - это физико-химический процесс превращения раствора карбонатов щелочноземельных металлов (Ва, Сг, Са) в твердый раствор окислов перечисленных металлов с образованием полупроводниковой структуры с донорными центрами, образованными ионами Ва, что обеспечивает высокие эмиссионные свойства электродов.

Операция заполнения лампы рабочими газами в особых пояснениях не нуждается, поскольку не связана с протеканием сложных физико-химических процессов, а требует только обеспечения чистоты газов, что определяется возможностями вакуумного поста.

Операции обезгаживания и активирования могут проводиться различными способами, отличающимися друг от друга эффективностью, трудоемкостью, а также устойчивостью по отношению к внешним факторам, главным из которых является исходная чистота комплектующих (люминофорного стекла и электродов).
Учитывая исключительно сильное влияние различных загрязнений на протекание основных процессов и, как следствие, на качество продукции, имеет смысл дать их краткую характеристику.

Загрязнения неоновых комплектующих

Под загрязнениями будем подразумевать любые инородные для основных материалов вещества, адсорбированные на поверхности и в приповерхностных слоях исходных деталей (стекла и электродов). По химической природе они могут быть неорганического, органического и смешанного характера.

К первой группе относятся газы и пары, такие как кислород, азот, окись и двуокись углерода, вода, а также углерод и хлор. Возможны и солевые загрязнения.
Вторая группа - различные жировые загрязнения, остатки масел, лаков и растворителей, которые применяются при изготовлении стекла и электродов. Прежде всего это остатки так называемого "биндера", используемого в качестве связующего вещества при нанесении люминофорного слоя на поверхность стекла. Такие загрязнения возникают при отклонениях в операциях очистки (промывка, электрохимическое травление) и термообработки (выжигание биндера, предварительное вакуумное обезгаживание). Большой разброс в вакуумных свойствах комплектующих разных производителей объясняется различной культурой производства, что необходимо учитывать в повседневной практике.

К смешенному типу загрязнений относят различные пылевые частицы, которые могут содержать от 30 до 60% органических загрязнений. Этот вид загрязнений характерен прежде всего для прозрачного стекла, которое очищается хуже, чем люминофорное, и не подвергается термообработке.

Степень загрязнения частицами пыли зависит не только от культуры производства комплектующих, но и от условий их транспортировки и хранения. Для защиты от пыли некоторые фирмы используют полиэтиленовые либо бумажные колпачки, препятствующие ее проникновению внутрь трубки. Однако как только колпачок удален, трубка начинает загрязняться пылевыми частицами и тем сильнее, чем больше пыли в производственном помещении. Поэтому использование отрезков трубок, пролежавших долгое время в открытом состоянии, увеличивает опасность загрязнения лампы пылью.

Не менее тщательно следует оберегать электродные узлы. После изготовления они упаковываются в коробки, где защищаются поролоновыми прокладками от загрязнения пылью. Понятно, что сразу после извлечения электродов из тары они подвергаются пылевой атаке, поэтому в открытом состоянии электроды лучше не хранить. Можно использовать эксикатор либо полиэтиленовые пакеты.

Следует указать на еще один источник загрязнений. При стеклодувных работах приходится поддувать воздух в изгибаемую трубку через стеклодувный шланг. При этом во внутреннюю полость будущей лампы может попасть слюна и даже кусочки самого шланга. Опытные стеклодувы обычно снабжают шланг фильтром, в котором в качестве фильтрующего элемента используют, к примеру, поролон.

Итак, характер и степень загрязнения комплектующих зависят от технологии их изготовления, условий транспортировки и хранения, а также аккуратности работы стеклодува. Причем самое неприятное заключается в том, что степень загрязненности выясняется в момент проведения основных операций электровакуумной обработки, когда для получения более или менее приличных результатов откачнику приходится искать нестандартные технологические решения. Понятно, что в этих сложных условиях об автоматизации процесса изготовления неоновой лампы не может быть и речи.

Наличие загрязнений определенного рода (органических), несмотря на любые усилия, может привести к образованию темных пятен на прозрачном стекле, отравлению люминофора (следствием чего становится локальное уменьшение яркости), а также к снижению эмиссионной способности электродов.
Все перечисленные негативные явления зависят от поведения примесей во время обезгаживания и активирования, поэтому имеет смысл условно разделить все описанные классы загрязнений на газообразные и конденсируемые. Газообразные примеси - водяной пар, атмосферные газы и легкие органические соединения - отличаются относительно слабой связью с поверхностью и высокой летучестью. Конденсируемые загрязнения (обычно тяжелые органические молекулы), наоборот, обладают малой летучестью и сильной связью с поверхностью.

Газообразные примеси удаляются сравнительно легко, не отравляют люминофор и активированный слой электродов. Их повышенное содержание лишь удлиняет процесс обезгаживания.

Конденсируемые примеси в зависимости от их концентрации и состава способны вести себя непредсказуемо: мигрировать с места на место, полимеризовываться и т.д. Поэтому и результаты процесса изготовления трудно прогнозировать. К примеру, в готовых лампах наблюдается змееподобный (отшнурованный) разряд, не прекращающийся даже после длительной тренировки. В этом случае принято говорить о неустойчивости технологического процесса.

Задача технолога, таким образом, сводится к поиску дополнительных приемов и режимов обработки, которые будут способствовать нейтрализации негативных факторов. В технологии газоразрядных приборов накоплен огромный опыт борьбы с перечисленными негативными явлениями, который мог бы найти применение и в неоновом производстве.

Способы обезгаживания газосветных ламп

Способы обезгаживания
Основная часть газообразных и конденсируемых примесей (загрязнений) сосредоточена на внутренних поверхностях и внутри материалов неоновой лампы. Препятствием к удалению этих примесей являются силы адсорбции (связи с поверхностью) и малая скорость диффузии инородных молекул внутри вещества. Следовательно, для удаления внутренних и внешних загрязнений к системе "материал-примесь" необходимо подвести избыточную энергию, в простейшем случае нагреть. В этом случае связи с поверхностью и соседними молекулами разрываются, молекулы загрязнений поступают в газовую среду, из которой удаляются насосом (откачка) либо потоком промывочного газа (продувка). Причем последний вариант удаления молекул примесей является (по современным данным) более предпочтительным, чем откачка, и активно используется в производстве современных вакуумных и газоразрядных приборов, например газовых лазеров. На рисунке представлена классификация существующих методов обезгаживания.

Наиболее известными и разработанными являются методы термовакуумного обезгаживания. К примеру, обезгаживание в электрических печах используется в процессах изготовления люминесцентных ламп. В тех случаях, когда требуется ускорить процесс нагрева, используют инфракрасный нагрев (ИК), нагрев высокочастотными полями (индукционный нагрев) либо нагрев электрическим током, пропускаемым через обрабатываемый материал. Все перечисленные методы обладают преимуществами и недостатками и являются, образно говоря, палитрой, с помощью которой технолог добивается максимального эффекта. Так, в производстве люминесцентных ламп (наиболее близких к неоновой технологии) обезгаживание стеклянных колб осуществляют с использованием электрических печей, а обезгаживание электродов - пропусканием через их керн (вольфрамовая проволока) электрического тока. В этом случае электроды разогреваются до температур, при которых внешний нагрев привел бы к полному расплавлению стекла колбы. Тем же целям служит индукционный нагрев, только для деталей, которые нельзя нагревать "самонакалом". Высокочастотное поле индукционного типа нагревает только металлические детали, создавая в них вихревые токи.

В целом перечисленные методы термовакуумной группы являются сегодня наиболее эффективными, особенно для производства серийной продукции. К числу их достоинств относятся:

  • простота и экономичность подвода тепловой энергии к обрабатываемому объекту;
  • непрерывность процесса откачки либо прокачки, снижающая опасность обратного загрязнения поверхностей;
  • высокая управляемость процессом повышения и снижения температуры;
  • возможность одновременной обработки большого количества изделий и простота автоматизации;
  • простота контроля процесса обезгаживания по величине остаточного давления в откачной системе.

Использование индукционного нагрева
Разумеется, у метода термовакуумного обезгаживания имеются и недостатки. Во-первых, это необходимость наличия внешнего нагревателя, что создает неудобства для обезгаживания нестандартных изделий, в том числе газосветных ламп. Однако этот недостаток можно устранить, если в качестве внешнего нагревателя использовать так называемое "асбестовое одеяло", в которое зашита нихромовая спираль. Во-вторых, большинство печей достаточно инерционны, что удлиняет подготовительно-заключительные операции. В-третьих, эффективность обезгаживания сильно зависит от степени загрязнения деталей на предварительных этапах. При оптимальных температурах 250-280 °С, соответствующих основному пику газовыделения адсорбированных газообразных примесей, конденсируемые примеси не подвергаются деструкции (разложению), следовательно, не могут быть удалены из откачиваемого объема. Поэтому использование термовакуумного обезгаживания стеклянных трубок неоновых ламп малоэффективно при больших степенях загрязнения органикой. Что касается метода индукционного нагрева электродов, то его использование, безусловно, способствует повышению качества готовой продукции, так как в этом случае не происходит распыления активной поверхности электродов и ее отравления тяжелыми углеводородами, поскольку отсутствует бомбардировка поверхности ионами, а процесс нагрева ведется при постоянной откачке. Тормозит распространение индукционного нагрева только отсутствие стандартной аппаратуры, что заставляет производителей неона самим разрабатывать подобные устройства, которые, кстати, могут быть использованы для заполнения ртутью из так называемых "остеклованных шариков", что обеспечивает максимальную защиту от ртутных загрязнений. Примером использования индукционного нагрева может служить опыт украинской фирмы "СП IHTEPMICT - НЕОН", (см. фото). Эта компания начала выпуск электродных узлов с ампульным ртутным дозатором - подобные выпускаются Masonlite, Neon Products GmbH. Опыт такого производства на Украине уже имелся - Ровенский завод ГРП в свое время разработал технологию производства таких узлов и изготовил их опытную партию. Единственным отличием является метод разгерметизации ампул - он производится с помощью индуктора ТВЧ, одновременно с помощью того же индуктора можно производить прогрев металлического цилиндра катода. Индуктор, питаемый от генератора высокой частоты, выглядит примерно как кипятильник - несколько витков трубки представляют собой катушку, иногда охлаждаемую водой, протекающей по трубке. Индуктор, снабженный ручкой, "надевают" на электродный узел и включают ток; при этом катод быстро прогревается докрасна, если же так прогревать ампулу с ртутью, стекло разрушится, а ртуть выделится в полость лампы. Важнейшее преимущество ТВЧ-обработки - отсутствие воздействия плазмы разряда на слой карбонатов в среде агрессивных по отношению к материалам катода газов (кислород, водород, пары воды), а также повышение скорости обработки. Однако генератор ТВЧ - прибор дорогостоящий, требующий квалифицированного эксплуатационного персонала, а при неосторожном обращении - достаточно опасный.

Методы второй группы, объединенные понятием ионно-плазменной обработки (ИПО), начали разрабатываться позднее термовакуумных, что связано с более поздним развитием ионных приборов, в частности газоразрядных источников света, для которых плазма - естественная среда.

В настоящее время методы этой группы широко используются во многих высокотехнологичных процессах, таких как распыление металлов (в напылительных установках магнет-ронного типа), плазмохимическое травление, имплантация и очистка различных поверхностей от сложных загрязнений, включая органические.

В основе этих методов обработки лежат следующие физико-химические механизмы:

  • бомбардирование обрабатываемых поверхностей заряженными частицами (ионами и электронами), ускоренными электрическим (Е) или магнитным (Н) полями различной частоты и интенсивности;
  • разогрев поверхности за счет действия процессов бомбардировки и рекомбинации заряженных частиц (процесс превращения ионов в нейтральные атомы);
  • плазмохимические и транспортные реакции на обрабатываемых поверхностях.

Подробнее о действии перечисленных механизмов применительно к технологии производства неоновых ламп будет рассказано в следующей статье этого цикла. А сейчас рассмотрим самые общие черты методов ИПО, классификация которых представлена на рисунке.

Первым был предложен метод обработки поверхностей газоразрядных приборов плазмой высокочастотного линейного разряда.

Поскольку обработка осуществлялась в замкнутой среде, образованной газовыделением с внутренних поверхностей, то обычно главными механизмами обезгаживания являлись нагрев за счет ионной рекомбинации (для поверхности стекла и люминофора) и бомбардировочный (для нагрева поверхностей электродов). Поэтому термин "бомбардирование" ("бомбардинг") лишь частично отражает суть происходящего в лампе. Вот почему большинство профессиональных технологов в области электроразрядных приборов отдают предпочтение термину "ионноплазменная обработка". Плазмо-химические реакции в описываемом случае носят паразитный характер, поскольку направлены на рост полимерных образований (пленок), оказывающих отравляющее воздействие на центры люминесценции и на структуру активированного слоя электродов. Однако следует отметить, что в то время, когда разрабатывалась указанная технология, в большинстве приборов использовались металлические электроды с окисным слоем. Для этих электродов термин "активирование" теряет изначальный смысл и сводится только к их простому обезгаживанию. Окисные электроды более стабильны в отношении отравляющего действия органики, чем активированные электроды, поэтому описанная технология давала устойчивые результаты даже при больших степенях загрязнений. То же можно сказать и о люминофорах. Современные люминофоры с редкоземельными металлами оказались гораздо более чувствительными к воздействию тяжелых углеводородов, чем, к примеру, галофосфатные. Поэтому описанная технология перестала удовлетворять требованиям устойчивости и практически нигде, кроме неонового производства, не используется.

Технологи уже давно выяснили, что дело заключается в химическом составе плазмы. В замкнутой среде главную роль играют основные компоненты газовыделения: водяные пары, угарный и углекислый газы. Они обеспечивают хороший нагрев, но активируют полимеризационные процессы. Для уменьшения скорости полимеризации необходимо использовать среды, обогащенные кислородом. Но поскольку кислород быстро расходуется в окислительных процессах, то необходимо периодически (промывка) либо постоянно (прокачка) производить ротацию среды. Это и обеспечивает устойчивость процесса ионно-плазменного обезгаживания современных высокотехнологичных приборов.

Вторым способом повышения качества обезгаживания является использование разрядов повышенной частоты (20-40 кГц). В этом случае увеличивается эрозионная активность ионов, следовательно, растет скорость обезгаживания. Этот разряд, как и предыдущий, является электродным, следовательно, он не свободен от возможного их отравления. Поэтому в современных приборах подобные разряды используются либо на последних этапах цикла обезгаживания в качестве "финишной" обработки, либо на "фалын-электродах", заменяемых впоследствии на "постоянные".

Проблема отравления электродов может быть решена путем использования безэлектродных ВЧ-разрядов. В этом случае плазма зажигается при внешнем наложении обкладок конденсатора (как в физиотерапевтических УВЧ-аппаратах) либо ВЧ-индуктором. Однако эти, безусловно, эффективные методы трудно применить к крупногабаритным изделиям. Поэтому использование ВЧ-технологий для неоновых ламп вызывает сомнения.

Способы активирования электродов

Практически все, сказанное о процессе обезгаживания, справедливо и для операции активирования электродов, поскольку в основе физико-химического превращения карбонатного слоя в сложную оксидную структуру, обладающую высокими эмиссионными свойствами и стойкостью к распылению, лежит процесс нагрева. Для обезгаживания и активирования способы подведения тепловой энергии практически аналогичны. Наиболее часто используются два метода. В первом случае нагрев ("самонакалом" либо ВЧ-индуктором) производится при постоянной откачке, лучше всего в условиях глубокого вакуума. Данный метод благодаря высокой воспроизводимости результатов наиболее часто используется в вакуумной технологии. Во втором случае нагрев производится в газоразрядной плазме, иногда его называют методом отбора тока. При этом большую роль играет выбор газовой среды и условия эвакуации (удаления) продуктов химической реакции. Наихудшие результаты показывает активирование в среде остаточных газов. Дело в том, что при бомбардировке наряду с удалением газов возможно и их поглощение, причем поглощение отдельных газов не падает, а, наоборот, растет с повышением температуры. Одна из причин - механизм электроразрядной откачки. Поглощенные газы в процессе последующей работы способны выделяться в свободный объем прибора, ухудшая его характеристики. Логичнее было бы проводить активирование в среде инертных (рабочих) газов. Однако, к сожалению, в этом случае медленно растет температура электрода. Поэтому этот процесс можно использовать во время операции промывки инертным газом для стабилизации эмиссионных характеристик. В целом метод активирования в плазме разряда требует тонкой подстройки технологических параметров, учитывающей особенности того или иного типа электрода, его размеры и степень загрязнения поверхностей. В частности, об этом же шла речь в недавней статье Бруно Таккони.

В отличие от обезгаживания активирование не всегда носит обязательный характер. К примеру, мы говорили об электродах с окисной пленкой, для которых этой операции просто нет.

В настоящее время ведутся работы по созданию холодных эмиттеров на основе углеродных нанотрубок, которые также не нуждаются в высокотемпературном нагреве и специальном активировании. В случае их создания весь процесс изготовления неоновых ламп изменится до неузнаваемости.

Подведем итоги

  • Стабильность технологического процесса изготовления неоновых ламп зависит от химического состава и степени загрязнения рабочих поверхностей ламп, а также от выбора методов обезгаживания и активирования.
  • Наибольшую опасность представляют тяжелые углеводородные загрязнения, появляющиеся в результате ухудшения вакуумной культуры их производства либо вследствие их неправильного хранения и транспортирования.
  • Существующая технология изготовления неоновых ламп, в основе которой лежит ионно-плазменная обработка поверхностей в среде продуктов газовыделения, не отвечает современному уровню развития технологии и чрезвычайно зависит от характера и величины загрязнений.
  • Для увеличения повторяемости результатов стабилизация режимов проведения отдельных операций (автоматизация) скорее вредна, чем полезна. Необходимы механизмы тонкой настройки физико-химических процессов, которые управляют обезгаживанием и активированием.
  • Выбор подобных настроек определяется особенностями неоновых комплектующих, в частности их загрязненностью.

В следующей статье этого цикла мы рассмотрим основные физико-химические процессы, протекающие при обезгаживании и активировании, и приведем практические рекомендации по проведению этих операций при наличии низкого качества комплектующих.