Газоразрядная лампа

Полезная модель относится к приборостроению, в частности к газоразрядным лампам с колпачковыми токовводами, применяемым в качестве высокоинтенсивных источников оптического излучения и ламп накачки лазеров.
Повышение интенсивности излучения газоразрядной лампы достигается увеличением тока, проходящего через лампу. Из существующих вариантов конструкции газоразрядных ламп, удовлетворяющих повышенным токовым нагрузкам, являются лампы с колпачковыми токовводами, в которых герметичное соединение кварцевой оболочки с токовводом осуществляется способами активной пайки припоями на основе олова, индия, свинца и их сплавов с использованием в качестве активного вещества чистого титана или гидрида титана. Надежность и трудоемкость таких газоразрядных ламп, прежде всего, определяются конструкцией и технологией изготовления спая колпачкового токоввода с кварцевой колбой.
Из уровня техники известна газоразрядная лампа (RU 159919 U1, опубл. 20.02.2016), содержащая колбу из кварцевого стекла и соединенный с ее внутренней поверхностью посредством сжатого спая элемент обеспечения электрического контакта внешнего и внутреннего токовводов, выполненный из плоской молибденовой ленты, которая снабжена покрытием из титана, нанесенным методом вакуумного напыления, толщиной от 1,5 до 2,0 мкм. Недостатком конструкции является низкая надежность, которая обусловлена следующими физико-химическими процессами, происходящими при изготовлении токоввода:
2
2
2
- обжатие молибденовой ленты производится расплавлением кварцевого стекла, в результате которого происходит выделение растворенных в кварце газов (О, N, СО и др.) с образованием соединений титана (оксидов, нитридов титана и т.д.), снижающих реакционную способность титана и надежность токоввода;
- при обжатии выполняемый нагрев молибденовой ленты, покрытой титаном, согласно диаграмме состояния Мо-Тi, приводит к образованию на границе соприкосновения непрерывного ряда твердых растворов, что снижает механическую прочность спая.
-3
Также известна газоразрядная лампы (SU 636710 A1, опубл. 05.12.1978), содержащая колбу из кварцевого стекла с предварительно нанесенным слоем металлизации и герметично соединенные с ней колпачковые токовводы посредством припоя. Процесс металлизации осуществляется следующим образом: нанесят ручным способом сплошной слоя металлизирующей пасты, содержащей смесь гидрида титана с каллоксилином или метилметакрилата в изомилацетате, толщиной от 50 до 120 мкм, выполняют сушку нанесенной пасты на воздухе в течение 15-20 минут, далее - реакционный отжиг в вакууме не выше 6,6⋅10 Па при температуре 300°С в течение 10-25 минут и реакционный отжиг при температуре 750°С в течение 5-10 минут, собирают металлизированную колбу с электродными узлами и припоем, выполняют пайку токами высокой частоты при температуре 800°С, затем откачку и наполнение газоразрядной лампы. К недостаткам данного способа следует отнести высокую трудоемкость процесса предварительной металлизации колбы и его низкую надежность, обусловленную возникающими напряжениями в спаях из-за неравномерности толщины слоя металлизации и незначительной воспроизводимости результатов после каждой технологической операции.
5
3
В качестве прототипа выбрана газоразрядная лампа (SU 646384 А1, опубл. 05.02.1979), содержащая колбу из кварцевого стекла и герметично соединенные с ней припоем колпачковые токовводы. На колбе в зоне припоя выполнен слой силицида титана (TiSi) глубиной 2 мкм и высотой на 0,5-2,0 мм более герметизирующей полосы припоя.
-6
-1
-6
-1
Главный недостаток данной лампы заключается в сложности выполнения слоя металлизации на колбе, которую в зоне припоя необходимо обработать путем удаления части материала на соответствующую глубину 2 мкм перед нанесением металлизации. Кроме того, нанесение силицида титана повышает термические напряжения на границе кварц- силицид титана в силу различия КЛТР (коэффициентов линейного теплового расширения) кварцевого стекла α=0,5⋅10 град и силицида титана α=(11,0-12,5)⋅10 град, что отрицательно сказывается на надежности соединения таких ламп с токовводами.
Задачей полезной модели является создание газоразрядной лампы, лишенной недостатков вышеуказанных аналогов, за счет повышения ее технологичности. Такая лампа должна обеспечивать надежное и герметичное соединение колпачковых токовводов с кварцевой колбой и обладать малой трудоемкостью производства.
Технический результат заключается в повышении надежности и герметичности соединения посредством пайки колпачковых токовводов с газоразрядными лампами, снабженными слоем металлизации.
Указанный технический результат достигается тем, что в газоразрядной лампе, содержащей колбу из кварцевого стекла и соединенные посредством пайки с ней колпачковые токовводы, колба в зоне пайки имеет слой металлизации, выполненный из титана толщиной от 1,0 до 3,0 мкм методом вакуумного напыления.
Полезная модель поясняется с помощью фиг. 1, на которой дано схематическое изображение поперечного сечения предложенной лампы и соединения ее колбы с токовводами.
Газоразрядная лампа (фиг. 1) содержит колбу 1 из кварцевого стекла и колпачковые токовводы 2, герметично соединенные с ней посредством пайки припоями 4 на основе олова, индия, свинца или их сплавов. Колба 1 в зоне пайки снабжена слоем металлизации 3, выполненным из титана толщиной от 1,0 до 3,0 мкм методом вакуумного напыления.
Известно, что титан обеспечивает максимальную адгезию с кварцевой колбой 1 и высокую реакционную активность при создании прочного соединения слоя металлизации 3 с кварцем колбы 1 в процессе пайки, а вакуумное напыление титана гарантирует за счет фиксирования электрических режимов работы источников распыления контролируемую равномерность толщины и отсутствие посторонних примесей в слое металлизации 3, что обеспечивает надежное и герметичное соединение ламп с токовводами 2 в процессе пайки. Кроме того, метод вакуумного напыления дает возможность группового нанесения титана на несколько кварцевых колб одновременно, что, очевидно, снижает трудоемкость изготовления газоразрядных ламп.
5
3
Диапазон толщин слоя 3 титана определяется минимально необходимым количеством для образования при пайке на поверхности кварцевой колбы переходного слоя силицида титана TiSi и предотвращения образования в расплаве припоя 4 интерметаллических соединений титана. Выше толщина недопустима, так как слой титана теряет сплошность в силу поверхностного натяжения. То есть указанный диапазон толщин слоя титана 3 обеспечивает более герметичное соединение колбы 1 и колпачковых токовводов 2.
Также нанесение титана вместо силицида титана на кварцевую колбу 1 обеспечивает равномерную переходную зону в ходе взаимодействия титана с оксидом кремния без повышенного термического напряжения.
Способ работы предложенной газоразрядной лампы известен из уровня техники и не отличается от работы других газоразрядных ламп.
Процесс изготовления полезной модели реализуется следующим образом.
Кварцевая колба лампы 1 экранируется посредством специального приспособления таким образом, чтобы цилиндрическая зона колбы 1 шириной h оставалась открытой для свободного доступа. Затем колба 1 размещается в камеру вакуумного напыления на карусель, обеспечивающую вращение колбы 1 вокруг своей оси и параллельно поверхности распыления титана. Так, на колбу 1 в зоне пайки наносят равномерный сплошной слой титана 3 толщиной от 1,0 до 3,0 мкм.
-3
После завершения процесса металлизации кварцевая колба 1 собирается с колпачковым токовводом 2 и припоем 4. Полученная сборка размещается в вакуумную камеру, откачивается до давления 6,6⋅10 Па и производится индукционный нагрев колпачкового токоввода 2 в зоне h до температуры поверхности 800°С. Уменьшение температуры пайки ниже 800°С невозможно, так как снижается растекаемость расплава припоя с растворенным в нем титаном по металлу, из которого изготовлен колпачковый токоввод. Повышение температуры пайки до 950-1000°С приводит к увеличению напряжений в кварцевой колбе в зоне спая в 1,5-2 раза. После расплавления припоя индукционный нагрев прекращается.
После остывания газоразрядной лампы все процессы повторяются для второго колпачкового токоввода. Завершающими операциями изготовления лампы являются контроль герметичности спаев колпачковых токовводов с кварцевой оболочкой на гелиевом течеискателе, откачка и наполнение газоразрядной лампы рабочим газом через штенгель 5, присоединенный через систему вакуумных вентилей к турбомолекулярному откачному посту.
Такой способ изготовления является технологичным за счет снижения трудоемкости производства, наличия максимально крепкой связи слоя титана с колбой 1 лампы и припоем и, соответственно, отсутствия необходимости дальнейшего обслуживания и ремонта.
Ниже приведены примеры осуществления полезной модели.
Пример 1. Напыление слоя титана на кварцевую колбу производился в вакуумной установке ВУ-1А, обеспечивающей нанесение покрытий на оптические материалы методом резистивного испарения.
Изготовление газоразрядной лампы выполняли в следующей последовательности.
-3
Кварцевую колбу поместили в приспособление экранировки, обеспечивающее открытой для свободного доступа распыляемого титана только зону спая кварцевой колбы. Закрепили приспособление на планетарной карусели установки, установили в контакты нагревателя полосу титана марки ВТ1-0. Произвели откачку рабочей камеры установки до давления 2 Па, установили скорость вращения приспособления с кварцевой колбой и выполнили операцию ионной очистки кварцевых оболочек с помощью ионного источника типа "АИДА", по окончании которой включили прогрев рабочей камеры и откачали камеру до давления 10 Па.
После достижения требуемого давления установили ток нагревателя и выполнили процесс напыления в течение 3 часов. Время напыления титана определяется экспериментально в зависимости от скорости вращения кварцевых колб и тока нагревателя. Контроль толщины напыленного слоя титана на кварцевую колбу производился на образце - свидетеле посредством комплекса фотометрического контроля толщины СФКТ-751В, входящего в состав вакуумной установки ВУ-1А, и составил 1,0 мкм.
-3
После остывания рабочей камеры кварцевая колбу извлекли из установки, собрали с колпачковым токовводом и припоем. Полученную сборку разместили в вакуумной камере пайки, откачали до давления 6,6⋅10 Па и произвели индукционный нагрев колпачкового токоввода в зоне спая с кварцевой колбой при температуре поверхности токоввода 800°С. Проконтролировали герметичность спаев колпачковых токовводов с кварцевой оболочкой, откачали и наполнили лампу рабочим газом через штенгель.
-13
3
-12
3
-11
3
Контроль герметичности соединения производился с применением масс-спектрометрического гелиевого течеискателя с чувствительностью 5⋅10 Па⋅м/с методами гелиевого обдува. Результаты контроля показали, что у заявляемой газоразрядной лампы после срока службы в 100 часов соединение обеспечило вакуумную плотность не хуже 2⋅10 Па⋅м/с, в то время как в газоразрядной лампе, взятой в качестве прототипа, герметичность составила 5⋅10 Па⋅м/с.
Пример 2. Напыление слоя титана на кварцевую колбу производят на установке вакуумно-дугового напыления УВНИПА-1-001, обеспечивающей нанесение покрытий на оптические материалы методом ионно-плазменного осаждения металлов.
Изготовление газоразрядной лампы выполняли в следующей последовательности.
-3
-1
Кварцевую колбу поместили в приспособление экранировки, обеспечивающее открытой для свободного доступа распыляемого титана только зону спая кварцевой колбы. Закрепили приспособление на планетарной карусели установки и установили частоту вращения приспособления с колбой, откачали рабочую камеру до давления 5⋅10 Па. Произвели напуск аргона до давления 5⋅10 Па и выполнили ионную обработку кварцевой колбы.
-3
После очистки поверхности кварцевой колбы осуществили откачку рабочей камеры до давления 8⋅10 Па и произвели ионно-плазменное напыление титана на поверхность кварцевой колбы. В качестве мишени в установке использовали диск из листа титана марки ВТ1-0. Измерение толщины проводили оптическим способом при помощи интерферометра по высоте ступеньки на образце - свидетеле, высота напыленного слоя титана составила 3,0 мкм.
-3
После остывания рабочей камеры кварцевую колбу извлекли из установки, собрали с колпачковым токовводом и припоем. Полученную сборку разместили в вакуумной камере пайки, откачали до давления 6,6⋅10 Па и произвели индукционный нагрев колпачкового токоввода в зоне спая с кварцевой колбой при температуре поверхности токоввода 800°С. Температура в зоне нагрева контролировали инфракрасным пирометром. Завершающими операциями изготовления газоразрядной лампы являлись контроль герметичности спаев колпачковых токовводов с кварцевой оболочкой, откачка и наполнение газоразрядной лампы рабочим газом через штенгель.
-13
3
-12
3
-11
3
Контроль герметичности соединения производился с применением масс-спектрометрического гелиевого течеискателя с чувствительностью 5⋅10 Па⋅м/с методами гелиевого обдува. Результаты контроля показали, что у заявляемой газоразрядной лампы после срока службы в 100 часов соединение обеспечило вакуумную плотность не хуже 8⋅10 Па⋅м/с, в то время как в газоразрядной лампе, взятой в качестве прототипа, герметичность составила 5⋅10 Па⋅м/с.
Таким образом, использование предложенной газоразрядной лампы повышает надежность и снижает трудоемкость ее изготовления за счёт сокращения количества операций по формированию металлизации на кварцевой колбе, применения стандартного оборудования с контролем толщины напыляемого слоя и возможностью реализации в условиях серийного производства групповой технологии металлизации путем одновременного нанесения слоев титана на несколько кварцевых оболочек.