ГЕРМЕТИЧНЫЙ ТОКОВВОД В КВАРЦЕВОЕ СТЕКЛО ОБОЛОЧКИ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ЛАМПЫ

Полезная модель относится к элементам конструкции газоразрядной лампы (ГРЛ), а именно к токовводу, и может быть использована в производстве ГРЛ с оболочками из кварцевого стекла, предназначенных для применения в светосигнальных устройствах различного назначения, функционирование которых осуществляется в условиях воздействия повышенных виброударных нагрузок.
В самом общем случае ГРЛ является устройством преобразования электрической энергии в оптическое излучение при прохождении электрического тока через плазмообразующую среду и конструктивно представляет собой заполненную плазмообразующей средой герметически замкнутую и оптически прозрачную оболочку, внутри которой установлены электроды - анод и катод. Основное назначение оболочки ГРЛ состоит в изоляции плазмообразующей среды, в которой осуществляется электрический разряд, от воздействия внешней среды. В настоящее время одним из наиболее широко используемых материалов для изготовления оболочек ГРЛ является кварцевое (кремнеземное) стекло, поскольку оно обладает прозрачностью в широком диапазоне длин волн оптического спектра, высокой термической стойкостью и высокими электроизоляционными свойствами. Наряду с обеспечением указанной выше функции герметизации рабочей полости ГРЛ оболочка является конструктивным остовом ГРЛ, определяющим пространственное размещение электродов и токовводов, каждый из которых является конструктивным элементом ГРЛ, предназначенным для подвода электрического тока от внешнего источника электропитания к электродам, расположенным внутри оболочки. Совершенно очевидно, что для обеспечения штатного функционирования ГРЛ входящий в ее состав токоввод должен обладать достаточной механической и электрической прочностью и, одновременно, обеспечивать герметичность рабочей полости ГРЛ в зоне соединения с оболочкой. Именно поэтому токоввод, как правило, состоит из трех элементов - внутреннего токоподвода, соединенного с соответствующим электродом, внешнего токоподвода, предназначенного для подсоединения ГРЛ к источнику электропитания, и элемента, обеспечивающего электрический контакт внешнего и внутреннего токоподводов, который одновременно выполняет (в ряде случаев) функцию герметизации токоввода за счет соединения с кварцевым стеклом оболочки ГРЛ.
Известно [1] несколько вариантов исполнения соединения кварцевого стекла с металлом - в частности соединение размягченного, почти расплавленного, кварцевого стекла с металлом, температура плавления которого выше температуры стекла в состоянии расплава. Благодаря достаточно прочному “прилипанию” (адгезии) стекла к металлу без посредства третьего вещества осуществляется соединение двух деталей из разнородных материалов в одно целое. Такие “стекло-металлические” узлы, которые принято называть “спаями металла со стеклом”, являются наиболее распространенными при изготовлении ГРЛ. В настоящее время освоены спаи с кварцевым стеклом в виде ленточных токовых вводов из тугоплавких металлов (вольфрам, молибден, тантал), причем непосредственно спаивание стекла и металла производится в вакууме [1].
Так, известен герметичный токоввод в кварцевое стекло оболочки ГРЛ [2], содержащий соединенный посредством сжатого спая с внутренней поверхностью оболочки из кварцевого стекла элемент обеспечения электрического контакта внешнего и внутреннего токоподводов, выполненный из имеющей форму ленты плоской молибденовой фольги, продольные стороны которой снабжены участками плавного уменьшения толщины с образованием лезвиеобразного края, или, как указано в некоторых источниках, имеющей поперечное сечение в форме двояковыпуклой линзы. Указанный герметичный токоввод ГРЛ, выбранный в качестве прототипа, выполнен на основе спая, который относится к категории так называемых “несогласованных спаев”, поскольку температурные коэффициенты линейного расширения кварцевого стекла в 10 раз ниже, чем у находящейся с ним в непосредственном контакте молибденовой фольги [1]. Возможность осуществления такого спая основана на использовании эффекта пластической деформации фольги из молибдена в направлении плоскости ленты за счет ее малой толщины, которая в средней части не превосходит 30-35 мкм [3].
2
7
Следует отметить, что процесс спая металла со стеклом можно с определенной степенью условности разделить на две стадии. При достижении вязкости расплава кварцевого стекла, при которой стекло обеспечивает смачивание металла, происходит первая (подготовительная) стадия образования прочных связей между стеклом и металлом - стадия физического контакта, т.е. осуществляется сближение соединяемых веществ (материалов) на расстояние, требуемое для межатомного взаимодействия. Процесс образования собственно соединения образующих спай веществ является второй (конечной) стадией. Объяснению механизма взаимодействия стекла и металла посвящено много разных гипотез [1] - окисная, электролитная, электронная и др. Важно только отметить, что результатом второй стадии получения спая является образование прочных преимущественно координатно-ковалентных связей [1]. Благодаря этому состав и свойства примыкающих в зоне спая веществ (стекла и металла) изменяются, т.е. возникает так называемый переходный слой. Поскольку все металлы имеют кристаллическую структуру, а стекло (в соответствии с современными представлениями) рассматривается как сплав микрокристаллических образований различных силикатов и кремнезема [1], то с очевидностью можно утверждать, что переходный слой также должен иметь кристаллическую структуру, т.е. переходный слой имеет структуру ионной кристаллической решетки, которая построена из анионов кислорода и катионов двух различных видов - катиона кремния в стекле и катиона металла в окисле, которые образуются в результате термообработки при температуре свыше 1000°C при взаимодействии металла (в данном случае Mo) и кварцевого стекла, а поскольку кварцевое стекло содержит низшие окислы (SiO), а поэтому, склонно к присоединению кислорода (химическая сорбция) с образованием высших окислов, разложение которых и, следовательно, выделение кислорода происходит лишь при высоких температурах (не менее 1000°C) [4]. Силы взаимодействия между элементами ионной кристаллической решетки переходного слоя проявляются благодаря их сближению в результате плотного контакта кварцевого стекла и молибдена при осуществлении спая (сжатый спай). Ионы, которые условно можно представить в виде упругих шаров различных радиусов, группируются при построении ионной решетки переходного слоя в наиболее устойчивые образования, соответствующие минимуму потенциальной энергии [1]. Этому требованию удовлетворяют группировки с максимальным сближением разноименных ионов и максимальным удалением одноименных, насколько это допускается отношением радиусов и числом зарядов ионов. Связь определяется равнодействующей двух сил - силы притяжения разноименных ионов и силы отталкивания одноименных ионов. Соответственно, при физическом контакте расплавленного стекла с металлом (молибденом) анионы кислорода, связанные с катионами кремния, будут испытывать притяжение к катионам металла, равно как и анионы окисла металла, связанные с катионами металла, будут притягиваться катионами кремния, причем на силы притяжения при этом накладываются силы отталкивания. В результате на поверхности металла (молибдена) возникают зародыши окисла толщиной порядка нескольких атомных слоев, а благодаря туннельному эффекту электроны металла выходят на наружную поверхность окисной пленки и размещаются на свободных энергетических уровнях атомов кислорода, т.е. внешняя поверхность окисной пленки заряжается отрицательно, а внутренняя - положительно. Таким образом, в окисной пленке возникает электрическое поле (величина напряженности поля составляет порядка 10 в/см [5]), способное вызвать перемещение ионов через пленку - отрицательных ионов (анионов) кислорода к металлу, а положительных ионов (катионов) металла на поверхность. По мере увеличения толщины окисной пленки градиент электрического поля на ней уменьшается и, следовательно, уменьшается количество ионизированных атомов кислорода, достигающих поверхности металла, примыкающей к окисной пленке, что практически приводит к полному прекращению процесса окисления металла (молибдена), из которого изготовлен элемент обеспечения электрического контакта внешнего и внутреннего токоподводов токоввода в ГРЛ с оболочкой из кварцевого стекла. Таким образом между кварцевым стеклом и молибденовой фольгой в зоне сжатого спая возникает достаточно прочное соединение (адгезия), которое сохраняется и после их совместного охлаждения, обеспечивая, тем самым, герметичность рабочей полости ГРЛ.
o
2
о
3
Электрический разряд в плазмообразующей среде, ограниченной оболочкой ГРЛ, является не только источником оптического излучения, но и источником тепловой энергии, которая передается внутренним токоподводом и материалом оболочки в зону сжатого спая, что приводит к нагреву элемента обеспечения электрического контакта внутреннего и внешнего токоподводов. При эксплуатации ГРЛ в режимах повышенных энергетических нагрузок элементы токоввода могут разогреться до температуры порядка 450-500°C [2]. При этом диффузия ионов молибдена через окисный слой вновь усиливается за счет тепловой активации процесса и окисление молибденовой фольги может продолжиться, хотя и с меньшей интенсивностью, поскольку время транспортировки катионов в зону их взаимодействия возрастает с увеличением толщины окисной пленки [5]. Известно, что особенность окисных пленок состоит в том, что объем окисла всех конструктивных материалов превосходит объем чистого металла, перешедшего в окисел. Так, для молибдена, атомный объем которого составляет 9,4 [5], молекулярный объем окисла MO составляет 19,7, а MO - 31,3 [5], т.е. величина объемного отношения (при равных количествах металла) составляет 2,1 и 3,3, соответственно. Именно поэтому, в окисной пленке (переходном слое от молибдена к кварцевому стеклу) из-за положительного объемного отношения возникают сильные сжимающие напряжения [5]. Величина этих напряжений при достижении окисной пленки “критической” толщины при эксплуатации ГРЛ в условиях воздействия повышенных виброударных нагрузок начинает превосходить предел прочности окислов, что неминуемо приводит к растрескиванию окисной пленки, оголению участков металлической поверхности и, следовательно, ее дальнейшему окислению, что, в конечном итоге, может привести к нарушению герметичности спая и выходу ГРЛ из строя.
Таким образом, недостаток герметичного токоввода в кварцевое стекло оболочки ГРЛ, выбранного в качестве прототипа, заключается в том, что спай входящего в его состав элемента обеспечения электрического контакта внутреннего и внешнего токоподводов с оболочкой из кварцевого стекла не обладает необходимой прочностью для обеспечения эксплуатации ГРЛ в режимах повышенных энергетических нагрузок в условиях воздействия повышенных виброударных нагрузок.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в повышении долговечности токоввода за счет увеличения стойкости к окислению входящего в состав токоввода выполненного из молибденовой фольги элемента обеспечения электрического контакта внешнего и внутреннего токоподводов во время работы лампы.
Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемой конструкции герметичного токоввода в кварцевое стекло оболочки ГРЛ, заключается в повышении эксплуатационной надежности ГРЛ, в частности при ее функционировании в режимах повышенных энергетических нагрузок при воздействии виброударных нагрузок.
Заявляемый герметичный токоввод в кварцевое стекло оболочки ГРЛ, как и токоввод, выбранный в качестве прототипа, содержит соединенный посредством сжатого спая с внутренней поверхностью оболочки из кварцевого стекла элемент обеспечения электрического контакта внешнего и внутреннего токоподводов, выполненный из имеющей форму ленты плоской молибденовой фольги, продольные стороны которой снабжены участками плавного уменьшения толщины с образованием лезвиеобразного края.
Отличие заявляемого токоввода от прототипа состоит в том, что элемент обеспечения электрического контакта внешнего и внутреннего токоподводов снабжен металлическим покрытием из титана, толщина которого составляет от 1,5 до 2,0 мкм.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение поперечного сечения заявляемого токоввода в зоне сжатого спая элемента обеспечения электрического контакта внешнего и внутреннего токоподводов с оболочкой из кварцевого стекла.
ГРЛ содержит оболочку 1 из кварцевого стекла. Элемент обеспечения электрического контакта 2 токоввода в ГРЛ выполнен из имеющей форму ленты плоской молибденовой фольги, продольные стороны которой снабжены участками плавного уменьшения толщины с образованием лезвиеобразного края (на фиг.1 не обозначены) параллельно продольной оси 3 оболочки 1 ГРЛ. Элемент обеспечения электрического контакта 2 снабжен металлическим покрытием 4 из титана. Герметичное (т.е. вакуумно-плотное) соединение оболочки 1 ГРЛ с элементом 2 токоввода в ГРЛ выполнено посредством сжатого спая внутренней поверхности оболочки 1 ГРЛ с обращенной к ней внешней поверхностью металлического покрытия 4 элемента 2 токоввода. Нанесение металлического покрытия 4 из титана на поверхность элемента 2 токоввода может быть осуществлено одним из известных способов, например за счет дугового напыления в вакууме или распылением металлов ионной бомбардировкой [6, 7]. Такой способ выполнения металлического покрытия обеспечивает, во-первых, хорошую адгезию материала покрытия (титана) к материалу элемента 2 (молибдену), что фактически гарантирует герметичность соединения на границе “титан-молибден”, а, во-вторых, формирование равномерно по толщине сплошного слоя титана. В данной конструкции токоввода металлическое покрытие 4 из титана является переходным слоем для обеспечения спая оболочки 1 ГРЛ с элементом 2 токоввода в ГРЛ и определяет качество спая в целом.
2
5
3
5
3
На основании вышеизложенного следует, что для устранения недостатка, свойственного прототипу, молибденовая фольга, из которой выполнен элемент 2 токоввода, при спаивании с кварцевым стеклом оболочки 1 ГРЛ должна быть защищена от окисления в процессе функционирования ГРЛ. Наиболее простым средством защиты от окисления является покрытие фольги (элемент 2) из молибдена каким-либо жаростойким металлом. Одним из металлов, который в виде тонкой пленки способен противостоять нагреву до температуры спаивания, при которой происходит размягчение кварцевого стекла (1200-1400°C, [1]), является титан, температура плавления которого составляет порядка 1670°C [1]. Титан относится к категории активных металлов, которые обладают акцепторными свойствами. Известно [8], что указанные свойства являются следствием незавершенности строения электронных оболочек элементов четных рядов 4-й группы периодической системы (Ti, Zr, Hf, Th). Атомы элементов подгруппы титана имеют в наружнем слое только два электрона и не способны присоединять электроны. Благодаря этому свойству активные металлы (в том числе и титан) вступают в химическое взаимодействие с окислами, в частности с тугоплавкими окислами, типичным представителем которых является кварцевое стекло (SiO), что позволяет получить вакуумно-плотные и прочные соединения разнородных материалов, причем для нормального хода реакции достаточно присутствие активного металла в зоне спая в любом виде, но при проведении процесса спая в вакууме [8]. Экспериментальные данные, полученные методом рентгеноструктурного анализа продуктов взаимодействия титана с окисью кремния (кварцевым стеклом) показывают [9], что взаимодействие компонентов в вакууме имеет место с температуры 800°C. Результатом реакции является образование твердого раствора кислорода в титане и интерметаллидов в системе “титан-кремний” в виде силицида TiSi. Было установлено [9], что в образцах, спай которых осуществлялся при температуре 800-1600°C, наблюдался рост интенсивности этой фазы, в то время как интенсивность линий твердого раствора кислорода в титане падала с повышением температуры спаивания до 1300°C. В образцах, спай которых осуществлялся при температуре 1400°C и выше, линии твердого раствора кислорода в титане отсутствовали. В работе [10] указано, что при спае титана с кварцевым стеклом в нем происходит образование сплошного переходного слоя из TiSi, толщина которого составляет 1,0-1,5 мкм. Следует иметь в виду, что толщина (“Δ” - на фиг. 1) металлического покрытия 4 элемента 2 токоввода не должна превосходить определенный предел (не более 10% от толщины фольги) для сохранения свойственной элементу 2 токоввода пластической деформации в зоне спая с оболочкой 1 ГРЛ. Таким образом, надежность в отношении герметичности соединения металлического покрытия 4 элемента 2 токоввода с оболочкой 1 ГРЛ может быть обеспечена при условии, что толщина покрытия 4 (“Δ”) из титана составляет от 1,5 до 2,0 мкм.
Фактически предлагаемая конструкция герметичного токоввода в кварцевое стекло оболочки ГРЛ обеспечивает повышение стойкости к окислению выполненного из молибдена элемента обеспечения электрического контакта внешнего и внутреннего токоподводов в зоне сжатого спая. В результате может быть повышена долговечность токоввода при эксплуатации ГРЛ в режимах повышенных энергетических нагрузок при воздействии виброударных нагрузок.
Следует отметить, что сам принцип использования предварительной металлизации с применением титана, подготавливающий одну из сочленяемых деталей, известен. Однако, такой прием используется, как правило, при соединении кварцевого стекла, находящегося в твердой фазе, с токовводом посредством пайки с использованием промежуточного твердого металлического припоя [11, 12], а при изготовлении сжатого спая с плоским ленточным фольговым токовводом используется впервые.
Герметичный токоввод в соответствии с заявляемым решением разработан для серийного производства ГРЛ с использованием типовых технологий, материалов и стандартного оборудования.
Литература:
1. Любимов М.Л. Спаи металла со стеклом, М.: Энергия, 1968.
2. Рохлин Г.Н. Разрядные источники света, М.: Энергоатомиздат, 1991.
3. Сборник “Электронная техника”, М.: ЦНИИ “Электроника” МЭП СССР, 1967, вып. 43, стр. 12-22.
4. Черепнин Н.В. Вакуумные свойства материалов для электронных приборов, М.: Советское радио, 1966.
5. Черепнин Н.В. Сорбционные свойства материалов для электронных приборов, М.: Советское радио, 1973.
6. Кудинов В.В., Бобров Г.В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология, оборудование, М.: Металлургия, 1992.
7. Кузмичев А.И. Магнетронные распылительные системы, Киев: Аверс, 2003.
8. Рубашев М.А. и др. Термостойкие диэлектрики и их спаи с металлом в новой технике, М.: Атомиздат, 1980.
9. Батыгин Э.И., Шмелев А.Е. Спаи кварцевого стекла с металлами. Обзоры по электронной технике, М.: ЦНИИ “Электроника” МЭП СССР, выпуск 3 (155), 1970.
10. Сборник “Электронная техника”, серия "Материалы”, М.: ЦНИИ “Электроника” МЭП СССР, вып. 1 (126), 1976, с. 22-25.
11. А.С. СССР №292567, 08.01.73 Бюл. №6.
12. А.С. СССР №646384, 05.02.79 Бюл. №5.