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
Миграция ртути - явление, когда ртуть, находящаяся в лампе, перемещается к одному из электродов, оставляя часть лампы тусклой [...]
ЗЕНОН - Рекламные Поставки
Статьи

Электродные узлы газосветных ламп

Сергей Авдонин, Евгений Авдонин

Важнейшей частью газосветной лампы является электродный узел. Это полуфабрикат, состоящий из электрода с приваренным к нему токовым вводом, впаянным в стеклянный цилиндр (рис. 1). Электродный узел (ЭУ) представляет собой часть лампы, называемую ножкой (гребешковой ножкой, что указывает на особенность ее внешнего вида - наличие плоского стеклянного гребешка, носящего название лопатки). Такая конструкция обусловлена технологией изготовления газосветной лампы (ГЛ). Общеизвестно, что сборка ГЛ производится из полуфабрикатов в условиях относительно примитивных мастерских, по­этому наиболее ответственные операции электродного производства - изготовление электрода, токовых вводов, приварка вводов к электроду, заштамповка токовых вводов в стекло - выполняются на специализированных заготовительных предприятиях.

Конструкция ЭУ

Электрод - важнейший элемент ГЛ. Конструкция его в наибольшей степени влияет на все характеристики лампы, начиная от потенциала зажигания и горения и кончая сроком ее службы. В большинстве ЭУ электрод выполнен в виде стального цилиндра с дном (точнее цельнотянутый стаканчик) со специальным покрытием. Такая конструкция носит название полого электрода или полого катода (см. врез). В специальной литературе по электровакуумным приборам электроды ламп, работающих на переменном токе, называют катодами. Электроды такой лампы симметричны - в один из полупериодов напряжения сети один электрод имеет отрицательную полярность и служит катодом (рис. 2, слева), а другой поло­жительную и выполняет функции анода. В следующий полупериод сетевого напряжения полярности электродов меняются (рис. 2, справа). Однако наиболее важными для работы лампы являются процессы, протекающие на поверхности катода и в непосредственной близости от него, поэтому оба электрода чаще все­го именуют катодами.

Как известно, электрический ток в газе обусловлен движением следующих частиц: в сторону анода - двух видов электронов (испускаемых катодом - так называемых первичных, и выбиваемых при столкновении первичных электронов с атомами газа - вторичных); в сторону катода - положительных ионов, возникающих в результате столкновения электронов с атомами газа. Поскольку масса положительных ионов достаточно велика, под воздействием электрического поля они приобретают значительную кинетическую энергию, а при столкновении иона с катодом эта энергия передается молекулам его материала. В результате этого процесса, именуемого ионной бомбардировкой, молекулы материала катода выбиваются из него. Некоторая их часть вновь осаждается на катоде, а часть оседает на расположенных вблизи катода элементах лампы. В случае ГЛ осаждение распыленного материала катода в основном происходит на стенках лампы вблизи открытого конца электрода, что обусловливает возникновение характерного темного налета. Тот же эффект наблюдается в любой газоразрядной лампе - будь то люминесцентная или, к примеру, ДРЛ. Такое явление носит название катодного распыления (рис. 3).

Катодное распыление было бы безвредным, если бы не сопровождающий его процесс, суть которою заключается в следующем. Тонкая пленка осаждающегося распыленного материала катода способна связывать (адсорбировать) газ, находящийся внутри лампы. Поэтому по мере распыления материала катода давление газа в лампе постепенно снижается, одновременно с этим, согласно закону, открытому Ф. Пашеном в 1889 г. и носящему его имя, растет напряжение зажигания лампы. В конце концов, давление в ней снижается настолько, что разряд уже не зажигается, и лампа выходит из строя. Процесс снижения давления в разрядной трубке в результате поглощения газа носит название жестчения газовой смеси. Жестчение является важнейшей причиной, ограничивающей срок службы ГЛ. Очевидно, что действие этого фактора тесно связано с величиной давления наполнения, свойствами катодов, величиной тока, протекающего через лампу.

Уменьшение катодного распыления - один из путей повышения срока службы ГЛ. С этой целью острый край полого катода, обращенный в сторону противоположного электрода, где напряженность электрического поля наиболее высока, обычно защищается втулкой. Она изготавливается из специальной вакуумной керамики (т.н. стеатит) на основе галька, которая отличается малым газопоглощением и газовыделением, обладая в то же время хорошей механической и электрической прочностью. Острая кромка катода подвергается чрезвычайно интенсивной бомбардировке положительными ионами газа, что вызывает очень быстрое распыление материала катода в этой зоне.

Применение полого катода является одним из важнейших усовершенствований, внесенных в конструкцию лампы тлеющего разряда Ж. Клодом (1870-1960) в начале XX в.
Существовавшие до этого конструкции - трубка Гейсслера и лампа Мура - имели катоды в виде стержней. В трубках Гейсслера стержни были выполнены из платины или железа, в лампах Мура - из угля, графита или железа. Такие электроды относительно быстро распылялись под воздействием протекающего тока, падение потенциала на них было очень велико (к примеру, в лампах Мура оно могло достигать нескольких киловольт). В конце XIX в. немецкий физик Ф. Пашен (1865-1947) открыл так называемый эффект полого катода, заключающийся в резком снижении прикатодного падения потенциала в слу­чае использования в разрядной трубке катода в виде полого цилиндра. Помимо того, полый катод позволяет повысить ток, протекающий через единицу площади поверхности электрода (плотность тока), уменьшить катодное распыление. Эмиссия электронов на полом катоде происходит только с его внутренней поверхности. Все эти преимущества стали причиной массового применения различных разновидностей полых катодов в разрядных лампах - от ГЛ до мощных дуговых ламп.

Поэтому и используют стеатитовую втулку, защищающую край катода от распыления. Если катод имеет малый диаметр, установка втулки в нем затруднена, а также создает проблемы при дозировании в ГЛ ртути. Тогда край стаканчика завальцовывают внутрь - за счет этого острая кромка ликвидируется, на ее месте возникает скругленный край, напряженность поля вблизи которого существенно меньше, соответственно меньше и катодное распыление (рис. 4).

Эмиссионную способность поверхности катода позволяет резко повысить активирующее покрытие (тонкий слой оксидов). Такой катод носит название оксидного. Использование оксидов некоторых щелочных, щелочноземельных и редкоземельных металлов позволяет кардинально изменить эмиссионную способность катода. В опытных разработках применялись различные рецептуры активирующих покрытий, однако для серийного производства была разработана смесь, носящая название тройного карбоната, состоящая из карбонатов бария ВаСО3, кальция СаСО, и стронция SrCO3, в соотношении 50:30:20 массовых частей. Этот состав наносится на внутреннюю поверхность стаканчика катода при его изготовлении, а во время вакуумной обработки при прогреве электрода карбонаты разлагаются до оксидов - происходит активации оксида. При использовании такого покрытия уменьшается работа выхода, что влечет снижение скорости ионов, бомбардирующих катод, и, как следствие этого, уменьшается его распыление, снижается катодное падение потенциала.

Оксидный катод требует строгого соблюдения технологии изготовления и обработки. К примеру, перегрев катода при вакуумной обработке чреват отслоением оксидного слоя, а недостаточный прогрев оставит катод неактивированным.

Токовый ввод может иметь различную конструкцию и состоять из одного, двух или трех звеньев, каждое из которых выполнено из раз­личных материалов. Между собой звенья ввода соединены стыковой сваркой. В ГЛ токовый ввод не только обеспечивает ввод электрического тока внутрь колбы лампы, но механически фиксирует положение электрода. Двухзвенный токовый ввод выполняется из двух различных материалов - внутреннее звено платинитовое, внешнее из гибкой медной проволоки. Более сложный - трехзвенный ввод имеет внутреннее звено из никелевой проволоки; оно приваривается к электродному цилиндру; второе звено изготовлено из платинитовой проволоки, а к нему приварено внешнее звено - отрезок луженого гибкого медного провода (с многопроволочной жилой). Никелевое звено ввода хорошо сваривается с никелированным электродом. Платинитовое звено обеспечивает вакуум-плотный спай стекла с металлом, по­скольку температурные коэффициенты линейного расширения стекла платинитовой группы и проволоки близки в широком диапазоне температур - от 25 до 300 °С. Внешнее гибкое звено ввода предназначено для соединения ГЛ с источником питания. Гибкость и относительно высокая механическая прочность внешнего звена позволяют присоединять проводник питания путем механической скрутки либо за счет пружинного контакта, устанавливаемого в специальных изолирующих контактных стаканах (своего рода патронах). Такая конструкция ввода характерна для изделий производства Tecnolux Group и большинства других производителей.

Многие производители ЭУ вводят в их кон­струкцию еще одну деталь - слюдяную про­кладку (рис. 5). представляющую собой полос­ку листовой слюды, свернутую в цилиндр. Основное назначение этой прокладки - повышение электрической прочности стекла в приэлектродной зоне и защита от возможного соприкосновения горячего электрода со стеклом во время вакуумной обработки. Помимо этого слюдяная прокладка частично амортизирует удары электродного цилиндра о стекло при тряске ГЛ во время перевозки.

Слюда является также материалом для изготовления шайбы, которая устанавливается между керамической втулкой, завальцованной в электрод (о назначении ее будет сказано ниже) и металлическим цилиндром. Эта шайба имеет форму квадрата со срезанными углами и, упираясь в стенки, центрирует электрод, не давая ему смешаться с геометрической оси лампы. Электроды, не имеющие такой детали, мо­гут отклоняться от оси, в результате чего столб разряда бомбардирует стеклянную стенку. В приэлектродной зоне воздействие его наиболее интенсивно и может вызвать как электрический пробой стекла, так и стать источником напряжений, способных разрушить стекло в зоне воздействия разряда.

В заключение нужно остановиться на одной специфической конструкции ЭУ. О ней уже говорилось в одной из предыдущих статей - это узел с ампульным ртутным дозатором (на рис. 6 показан ЭУ Quick Silver™ компании Masonlite Преимущества ампульного дозирования ртути в ГЛ очевидны.

Вакуумная обработка ЭУ

При вакуумной обработке на катоде происходят весьма сложные процессы. От того, насколько качественно она проведена, зависит качество ГЛ и, в конечном итоге, срок ее службы. Упрощенно можно рассмотреть следующую схему процессов на катоде.

При прогреве ионной бомбардировкой катоды интенсивно разогреваются из-за большой плотности тока. По мере разогрева происходит десорбция газов, сорбированных материалами катода. Газы выделяются в объем лампы и откачиваются вакуум-насосом. Одновременно с этим происходит термическое разложение тройных карбонатов с выделением углекислого газа, который также откачивается. При разложении образуются оксиды, характеризующиеся недостатком атомов кислорода и наличием некоторого избытка атомов металлов, в особенности бария, количество которого в смеси наиболее велико. Температура, требуемая для нормального разложения тройных карбона­тов, составляет 1100-1300 °С - при этом катод доходит до светло-красного каления.

Одновременно с этим под воздействием бомбардировки катода положительными ионами происходит разложение находящихся на его по­верхности органических соединений. Сложные молекулы полимеров разрушаются, более простые соединения окисляются. В результате этою на катоде всегда остается пленка продуктов раз­рушения органических соединений. При определенных условиях, особенно при избытке органических веществ в ГЛ, катод может выйти из строя из-за отравления катода. Под отравлением понимается образование на катоде химических соединений, резко ухудшающих его эмиссионные свойства. Поэтому широко распространенная технология вакуумной обработки ГЛ с прогревом стекла разрядом, а электродов - ионной бомбардировкой является очень грубой и способна резко ухудшить свойства электродов, со­кратив таким образом срок службы лампы.

В производстве электровакуумных прибо­ров широко применяется другая методика -обезгаживание стекла прогревом в печи (элек­трической или газовой), а электродов - за счет прогрева индуктором ТВЧ. Такая технология используется и в газосветном производстве, но очень ограниченно - в частности в Нидерландах, где эта технология была внедрена компанией Philips еще в 30-х годах XX в. Обеспечивая более высокое качество и больший срок службы ГЛ, такая технология требует большего времени на обработку каждой лампы, а также крупногабаритное и дорогостоящее оборудование (печь и генератор ТВЧ).

Режим работы электрода характеризуется плотностью тока. Для неактивированных катодов ее величина не превышает 1 -3 мА/см2, для желез­ных электродов эта величина обычно ограничи­вается значением 1,5мА/см2. При повышении то­ка сверх этих пределов разряд начинает распространяться на внешнюю поверхность катода (рис. 7), при этом возрастает катодное падение потенциала и увеличивается скорость катодного распыления. Увеличивая длину и диаметр и, следовательно, площадь поверхности электрода, можно, сохранив неизменной плотность тока, увеличить рабочий ток. Поэтому все производители ЭУ изготавливают широкий ассортимент этих изделий - короткие электроды, рассчитанные на небольшой ток, длинные, которые способны выдерживать более сильные токи, электроды с керамической втулкой и без нее, о чем говорилось выше. В отдельных случаях применяют электроды "для холодной погоды" со встроенным подогревателем, однако такая конструкция пред­назначена для ГЛ, работающих при больших токах (порядка 200-500 мА) и в очень жестких климатических условиях. Опыт показывает, что все типы ЭУ, при условии их качественного изготовления и вакуумной обработки, способны надежно работать даже в условиях якутских морозов.

Чрезвычайно важна идентичность эмиссионных свойств обоих электродов ГЛ. В предыдущих статьях [1],[2]неоднократно говорилось о том, что значительная разница свойств катодов может служить причиной катафореза, а иногда повлечь вы­ход из строя газосветного Трансформатор target=_blank>трансформатора (ГТ). Рассмотрим причины этого явления подробнее.

Предположим, что в изготовленной ГЛ один из электродов имеет активирующее покрытие, а другой лишен его. Мощный поток электронов с поверхности активированного катода создаст в прикатодной зоне область сильного объемного отрицательного заряда, притягивающую положительные ионы. Эмиссия с неактивированного катода будет существенно ниже, следовательно, ниже будет величина объемного заряда, ниже будет и поток положительных ионов на этот электрод (рис. 8). Следовательно, в том полупериоде питающего напряжения, когда неактивированный электрод служит катодом, ток лампы будет существенно меньше (вплоть до полного прерывания тока), нежели во второй полупериод, в котором катодом является активированный электрод. Среднее значение тока ГЛ за период становится отличным от нуля, т.е. в спектре тока появляется постоянная составляющая. Протекание постоянного тока через ГТ может стать причиной выхода его из строя из-за перегрева, а также повлечет катафорез в группе ГЛ с аргоновортутным наполнением, включенных последовательно с неисправной лампой.

При сборке ГЛ необходимо внимательно осматривать ЭУ. Если цилиндр электрода имеет блестящую однотонную поверхность без каких-либо царапин, пятен и точек, керамическая втулка надежно завальцована в нем, на внутренней поверхности равномерно нанесен серова­то-белый матовый слой тройных карбонатов, на­поминающий своим видом слой люминофора на колбе ГЛ, и поверхность покрыта карбонатом полностью - такой электрод можно считать качественным. Следует обратить внимание на лопатку ЭУ: звенья токовых вводов, впаянные в стекло, должны иметь красную или красно-коричневую окраску. У некачественных ЭУ окраска спая неравномерная, пятнами, возможны газовые пузырьки, иногда заметны отслоения стекла от металла. В таких ЭУ возможна течь по лопатке

Если слой карбонатов нанесен на внутреннюю поверхность электрода неравномерно, с разрывами или же не на всю площадь поверхности, такие электроды лучше не использовать. В крайнем случае, их можно применять для ГЛ, не содержащих ртути, однако и в этом случае желательно подобрать аналогичный по характеристикам второй электрод, чтобы максимально симметрировать ток лампы. Если свойства электродов будут сильно различаться-к примеру, при использовании в одной лампе ЭУ разных производителей, с разной площадью поверхности (попросту говоря, раз­ной длины) или с разным количеством карбонатов - то при прогреве катодов ионной бомбардировкой один из них нормально прогреть не удастся. Обычно в таких ГЛ второй катод уже раскаляется докрасна, в то время как пер­вый не дошел до температуры темно-вишнево­го каления. Такая ГЛ бракуется.

При ремонте ГЛ часто повторно перекачивают лампы, не меняя ЭУ. Исходя из опыта, можно сказать, что такая операция допустима при условии, что причинами выхода ГЛ из строя стали течь по спаю, трещина колбы и т.п., иными словами, неисправность не вызвана самими ЭУ. Однако нужно учитывать тот факт, что электроды этой лампы подвергнутся воздействию атмосферного воздуха при ее разгерметизации, а так­же вторично пройдут обработку ионной бомбардировкой. Срок службы таких электродов будет немного ниже, чем у новых. Прогрев электродов при повторной вакуумной обработке следует вести в более щадящем режиме (на меньшем токе) и уменьшить максимальную температуру прогрева - во избежание осыпания слоя активатора.

При всей кажущейся простоте ЭУ - основа газосветной лампы, а качество их изготовления и вакуумной обработки является одним из важнейших путей к качеству и долговечности ГЛ.