ТОКОВВОД В ГАЗОРАЗРЯДНУЮ ЛАМПУ С ЦЕЗИЕВЫМ НАПОЛНЕНИЕМ

Полезная модель относится к газоразрядным лампам, наполненным парами щелочных металлов, в частности к конструкции токоввода в выполненную из лейкосапфира оболочку газоразрядной лампы с цезиевым наполнением.
Особенность конструкции газоразрядных ламп данного типа заключается в наличии в составе электродного узла неразъемносоединенных с обеспечением электрического контакта штенгеля и герметизирующего элемента, спай которого с оболочкой выполнен охватываемым, т.е. по внутренней поверхности оболочки лампы. Установлено [1], что наиболее приемлемым конструктивным материалом для этих элементов электродного узла с учетом особенностей функционирования газоразрядных ламп с плазмообразующей средой на основе паров щелочных металлов является ниобий или его сплавы. Испытания показали, что длительный контакт ниобия с высокотемпературными парами и жидкой фазой щелочных металлов (в том числе цезия) не приводит к каким-либо нежелательным последствиям.
Известен токоввод в газоразрядную лампу с плазмообразующей средой на основе паров щелочных металлов, содержащий герметично соединенный с монокристаллической трубчатой оболочкой герметизирующий элемент в виде тонкостенного колпачка, дно которого снабжено отверстием с установленным в нем с обеспечением электрического контакта металлическим штенгелем, который служит как для откачки, наполнения и герметизации лампы, так и в качестве держателя электрода [2].
В указанной конструкции, выбранной в качестве прототипа, герметизирующий элемент (колпачок) соединен со штенгелем, выполняющим функцию держателя электрода, посредством сварки плавлением.
В соответствии с [3] сваркой плавлением называется технологический процесс получения неразъемного соединения между деталями, основанный на локальном расплавлении кромок няемых деталей с последующей сталлизацией металла шва. Под воздействием мощного концентрированного потока тепловой энергии кромки свариваемых деталей расплавляются с образованием физического контакта посредством так называемой «сварной ванны». Поскольку сварной шов имеет протяженность, превышающую размеры сварной ванны сварку плавлением ведут непрерывно перемещая источник теплоты относительно кромок свариваемых деталей. В результате кромки плавятся последовательно и непрерывно. Охлаждение зоны сварки происходит за счет передачи теплоты вглубь свариваемых деталей и в окружающую среду и, соответственно, кристаллизации металла сварной ванны. Поскольку свариваемые детали представляют собой тонкостенные колпачок и штенгель из ниобиевого сплава типа ЭЛН-1 или НЦ-1 (содержание ниобия составляет не менее 95%), а температура плавления ниобия составляет 2500°С [4], местный (сосредоточенный) высокотемпературный нагрев деталей при сварке плавлением вызывает возникновение напряжений и остаточных деформаций в сварном соединении, что снижает сопротивляемость динамическим нагрузкам [3] и, соответственно, нарушению герметизации токоввода и выходу лампы из строя.
Таким образом, указанная конструкция токоввода, выбранного в качестве прототипа, допускает использование лампы только при ее эксплуатации в стационарной аппаратуре, а при ее аппаратурной эксплуатации в условиях повышенных виброударных нагрузок, в частности в составе бортовых авиационных систем оптикоэлектронного противодействия управляемым ракетам с тепловыми головками самонаведения, малопригодна.
Недостаток конструкции токоввода в газоразрядную лампу, выбранного в качестве прототипа, состоит в невозможности ее использования в условиях повышенных виброударных нагрузок в связи с нарушением герметичности в зоне сварки герметизирующего элемента и штенгеля.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в обеспечении надежности токоввода газоразрядной лампы с плазмообразующей средой на основе щелочных металлов за счет устранения фактора, который влияет на уменьшение механической прочности неразъемного соединения герметизирующего элемента и штенгеля.
Заявляемый токоввод в газоразрядную лампу с цезиевым наполнением, как и токоввод в газоразрядную лампу, выбранный в качестве прототипа, содержит герметично соединенный с лейкосапфировой оболочкой герметизирующий элемент, торец которого, обращенный к торцу оболочки, снабжен круговым в поперечном сечении сквозным осевым отверстием, в котором соосно с герметизирующим элементом с обеспечением с ним электрического контакта вакуум плотно установлен штенгель.
Заявляемый токоввод в газоразрядную лампу с цезиевым наполнением отличается от прототипа тем, что отверстию в торце герметизирующего элемента придана форма примыкающих через цилиндрическую поверхность поверхностей в виде прямых усеченных конусов, большие основания которых направлены в разные стороны, и установка штенгеля в герметизирующем элементе выполнена посредством спая в зоне цилиндрической поверхности сквозного осевого отверстия в торце герметизирующего элемента, причем превышение величины диаметра отверстия в торце герметизирующего элемента в зоне спая величины наружного диаметра штенгеля составляет от 0,02 до 0,1 мм, а длина цилиндрической поверхности сквозного осевого отверстия в торце герметизирующего элемента составляет не менее , где σ - коэффициент поверхностного натяжения припоя в состоянии расплава, а ρ - плотность припоя в состоянии расплава.
На фиг.1 приведено схематическое изображение варианта конкретного исполнения токоввода в газоразрядную лампу с цезиевым наполнением (частичное сечение).
Герметизирующий элемент 1 соединен с лейкосапфировой оболочкой 2 (связующий материал на фиг.1 не показан). Герметизирующий элемент 1 выполнен из ниобиевого сплава и соединен со штенгелем 3, также выполненным из ниобиевого сплава, посредством спая с помощью (в данном конкретном случае) титанового припоя 4.
Пайкой называется процесс соединения металлов в твердом состоянии путем введения в зазор между спаиваемыми деталями промежуточного металла-припоя, который плавится при более низкой температуре, чем соединяемые металлы [5]. При расплавлении припой заполняется зазор между поверхностями соединяемых деталей, образуя жидкую металлическую прослойку, кристаллизация которой приводит к образованию паяного шва. При пайке формирование шва определяется, главным образом, процессами смачивания и капиллярного течения на границе поверхность детали - расплав припоя.
Пайку осуществляют при температуре ниже точки плавления металла соединяемых деталей, что позволяет получить непрерывный контакт без нарушения форм и размеров конструкции, а самое главное без изменения структуры металла соединяемых деталей. Таким образом, устраняется причина возникновения в спаиваемых деталях напряжений, которые могут привести к разгерметизации токоввода и выходу лампы из строя.
Для образования надежного спая необходимо, чтобы при температуре пайки припой смачивал металл спаиваемых деталей и растекался по поверхности спаиваемых деталей [5]. Экспериментально установлено, что наибольшая прочность паяных соединений из различных материалов и припоев достигается при зазорах между спаиваемыми деталями порядка 0,02-0,1 мм [6]. Именно поэтому в данном конкретном случае величина кольцевого зазора, образованного наружной поверхностью штенгеля 3 и цилиндрической поверхностью отверстия в торце герметизирующего элемента 1, выбрана равной 0,02-0,1 мм.
Количество припоя, форма его навески (до расплава) и пространственное размещение играет существенную роль в получении качественного шва. Припой желательно располагать над паяемым швом для проникновения расплавленного припоя в зазор между спаиваемыми деталями не только за счет эффекта капиллярности, но и за счет действия силы тяжести. Именно поэтому в данном конкретном случае используется вертикальное расположение оси цилиндрического шва. При пайке используется верхняя граница интервала температур плавления припоя, которая характеризует точку растекания. В данном конкретном случае используется припой на основе титана, поскольку этот металл химически устойчив к парам цезия, и его температура плавления составляет 1660°С [4], что значительно ниже температуры плавления ниобия (2500°С), из которого изготовлены штенгель 3 и герметизирующий элемент 1. Спаиваемые детали 1 и 3 - тонкостенные и, соответственно, быстро нагреваются. Поэтому при расплавлении припоя возможно растекание части припоя по торцу герметизирующего элемента 1. Для устранения подобной возможности навеску припоя в виде кольца до расплава располагают в кольцевом зазоре, образованном наружной поверхностью штенгеля 3 и поверхностью 5 отверстия герметизирующего элемента 1 в форме прямого усеченного конуса, который при вертикальном расположении оси цилиндрического шва является барьером для растекания расплавленного припоя в горизонтальной плоскости, и, следовательно, весь расплавленный припой будет проникать в кольцевой зазор между наружной поверхностью штенгеля 3 и цилиндрической поверхностью 6 отверстия в торце герметизирующего элемента 1. При расплавлении припой 4 сначала под действием силы тяжести заполняет коническую поверхность 5, а затем за счет действия капиллярных сил заполняет кольцевой вертикальный зазор между штенгелем 3 и герметизирующим элементом 1, причем в процессе заполнения зазора происходит взаимодействие припоя 4 с ниобием, из которого изготовлены элементы токоввода 1 и 3, что приводит к увеличению вязкости расплава и препятствует его дальнейшему проникновению в зазор между элементами 1 и 3. Максимальная длина (l) затягивания припоя 4 в зазор между элементами 1 и 3 в соответствии с [5] составляет:
,
где σ - коэфффициент поверхностного натяжения припоя в состоянии расплава;
ρ - плотность припоя в состоянии расплава;
g - ускорение силы тяжести;
Δ - величина зазора между наружной поверхностью штенгеля и цилиндрической поверхностью 6 отверстия в торце герметизирующего элемента 1.
Таким образом, длина спая геля 3 и герметизирующего элемента 1 при величине зазора Δ между ними 0,02-0,1 мм должна составлять не менее , а, следовательно, такой должна быть длина l цилиндрической поверхности 6 сквозного осевого отверстия в торце герметизирующего элемента 1.
Следует отметить, что отверстие в торце герметизирующего элемента 1 выполнено в форме примыкающих через цилиндрическую поверхность 6 поверхностей в виде прямых усеченных конусов 5 и 7, большие основания которых направлены в разные стороны. Одна из этих поверхностей 5, как это было указано выше, предназначена для размещения навески припоя. Другая поверхность - 7 способствует уменьшению действия капиллярных сил при заполнении припоем 4 кольцевого зазора между штенгелем 3 и герметизирующим элементом 1, что обеспечивает дополнительную надежность спая.
Предлагаемая конструкция обеспечивает высокую механическую прочность токоввода в газоразрядную лампу с цезиевым наполнением и, соответственно, повышает надежность лампы при ее эксплуатации в составе бортовых авиационных систем оптоэлектронного противодействия управляемым ракетам с тепловыми головками самонаведения.
Токоввод в газоразрядную лампу с цезиевым наполнением в соответствии с заявляемым решением разработан для серийного производства с использованием типовых технологий и стандартного оборудования.
Литература:
1. Гайдуков Е.Н. Создание ламп накачки твердотельных неодимовых лазеров на основе дугового разряда в парах щелочных металлов: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 1984.
2. Авторское свидетельство СССР №1043764, 23.09.83, Бюл №35
3. Бадьянов Б.Н., Давыров В.А. Сварочные процессы в электронной технике, М.: Высшая школа, 1988.
4. Батыгин В.Н., Метелкин И.И., Решетников A.M. Вакуумно-плотная керамика и ее спаи с металлами. - М.: Энергия, 1973. - 408 с.
5. Петрунин И.Е. Физико-химические процессы при пайке, М.: Высшая школа, 1972.
6. Ковалевский Р.Е., Чекмарев А.А. Конструирование и технология вакумплотных паянных соединений, М.: Энергия, 1968