База знаний, Статьи 12820

Проблемы неоновой рекламы

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

Необычно холодная зима в буквальном смысле высветила проблемы неоновой рекламы, связанные с неравномерностью свечения и ускоренным выходом из строя световых элементов. На основе анализа протекания основных процессов в лампе мы приведем практические рекомендации, которые позволят существенно снизить риск возникновения световых дефектов.

Проблемы, о которых пойдет речь, возникали и в прошлые годы. Однако сильный холод явился своеобразным катализатором процессов деградации электродов и пюминофорного слоя неоновых трубок, которые и привели к количественному росту дефектных изделий.

Некоторые в данной ситуации начинают искать упущения в работе оборудования и персонала, задаваясь вопросом "Кто виноват?", вместо того чтобы думать "Что делать?".

Заметим, что в неоновом производстве большая ответственность возлагается на откачника. Его операция последняя в технологическом цикле производства неоновых ламп, значит, он и виноват, если неправильно эксплуатировал оборудование или иным способом нарушал технологию.

В основе дефектов, особенно массовых, всегда лежат объективные причины, связанные со свойствами используемых материалов и с особенностями физико-химических процессов, протекающих в лампе в процессе ее изготовления и эксплуатации. Поэтому, для того чтобы избежать неприятностей в будущем, нужно разбираться в природе дефектов и факторах, их провоцирующих.

Световые дефекты неоновых ламп

Если абстрагироваться от индивидуальных особенностей отдельных ламп, все многообразие дефектов, связанных с изменением световых параметров, может быть сведено к следующим типичным случаям:

• неравномерная яркость свечения лампы;
• темные пятна на люминофоре в отдельных частях лампы;
• пониженная яркость возле одного из электродов либо в центре лампы.

Практика показывает, что первые два случая представляют собой стадии развития одного дефекта, обусловленного протеканием процесса деградации люмино-форного слоя. Иными словами, пятна на люминофоре возникают в тех местах, где ранее наблюдалось ослабленное свечение.

Третий случай носит название катафорез и связан с миграцией примесей, к примеру ртути, в один из электродов под действием постоянной составляющей тока, которая возникает в электрической цепи в результате разницы эмиссионных способностей электродов. Рассмотрим каждый случай отдельно.

Процессы деградации пюминофорного слоя

В основе деградации (старения) люминофоров лежат несколько механизмов. Одни из них являются постоянно действующими, другие - временными и даже случайными. По отношению к лампе они могут быть как внутренними, так и внешними.

Основным, постоянно действующим механизмом деградации считается старение люминофора под действием УФ-излучения газового разряда. Указанный механизм наиболее характерен для ламп, содержащих ртутные пары. В этом случае максимум излучения разряда лежит как раз в ультрафиолетовой области. Срок службы люминофора определяется на основе экспериментальных данных, полученных в лабораторных условиях, при которых эпизодические и случайные воздействия могут быть исключены. Для большинства используемых в газосветном производстве люминофоров срок службы составляет 10-12 тыс. часов.

Наибольший срок службы имеют современные люминофоры с узким спектром излучения (простые цвета), созданные на основе соединений редкоземельных металлов. К примеру, при создании различных оттенков белого цвета, значительно расширяющих цветовую гамму, используют композиции узкополосных люминофоров. Такие смеси в силу своей природы неоднородны по гранулометрическому составу, что чаще всего приводит к сокращению срока службы люминофорного слоя из-за повышенной сорбционной активности. Еще в большей степени увеличение скорости старения наблюдается при добавлении в люминофор различных пигментов.

Однако из практики хорошо известно, что для ламп, которые эксплуатируются в сложных погодных условиях (периодически действующий фактор), снижение яркости наблюдается уже через 5-6 тыс. часов. Это означает, что в таких условиях начинают проявляться другие механизмы деградации люминофоров. Один из них связан с действием плазмы разряда. Этот механизм носит активационный характер, то есть для его "запуска" нужно соблюсти определенные энергетические условия воздействия на люминофор. Эти условия могут возникнуть, например, во время электровакуумной обработки на откачном посту. Рассмотрим этот пример более подробно.

Считается, что основной механизм воздействия плазмы - бомбардировка поверхности заряженными частицами (ионами газов и электронами). Именно поэтому весь процесс электровакуумной обработки часто называют бомбардингом. При проведении этой операции скорость движения зарядов, связанная с температурой плазмы, вполне достаточна для частичного разрушения люминофорного слоя. К примеру, долгая обработка трубок с пигментированным слоем приводит к выцветанию пигмента и снижению яркости. Именно поэтому время обработки рекомендуют сводить к разумному минимуму (не более минуты). При соблюдении технологических режимов обработки старение люминофора по описанному механизму незначительно и им можно пренебречь.

Однако помимо ионной обработки при наличии органических загрязнений люминофора либо электродов может наблюдаться ионно-химическое травление (химическое разрушение люминофорного слоя, или отравление) и различные плазмохимические реакции. Важнейшей из них является миграция углерода и углеводородных мономеров в зоны с относительно низкой температурой, где наблюдается образование углеродных полимерных пленок различной структуры (от графита до алмаза, соответственно меняется их окраска от черной до прозрачной). К примеру, черные полимерные пленки - графитовой структуры - часто наблюдаются в прозрачных неоновых трубках в виде пятен и колец; определить наличие прозрачной пленки визуально невозможно, однако косвенно можно судить о ее наличии по локальному снижению яркости в трубке (затемнениям). Эти пленки способны экранировать действие УФ-излучения и тем самым снижать способность возбуждения молекул люминофора. Кроме того, разрушенный люминофорный слой впоследствии может проявлять повышенные сорбционные свойства. Описанные механизмы, как видно из их описания, "включаются" только в условиях загрязнения комплектующих, используемых для сборки лампы, углеводородами.

Следует особо отметить, что в традиционной технологии электровакуумной обработки нет простых и надежных приемов борьбы с этим явлением. Поэтому всегда существует реальная опасность отравления люминофорного слоя, что проявляется в период эксплуатации в виде темных пятен. Отсюда следует практический вывод о недопустимости работы с комплектующими низкого качества. Правда, выполнить это условие весьма трудно в силу целого ряда причин. Среди них: отсутствие у продукции сертификатов качества, данных о дате изготовления, а также условиях транспортировки и хранения. О качестве приходится судить по уровню газовыделения, осыпаемости люминофора и его "разгораемости" в условиях низких температур. Чаще всего выбор комплектующих определяется только репутацией фирмы-изготовителя. Но это весьма ненадежный путь, поскольку под знакомой маркой может продаваться продукция других производителей, в лучшем случае лицензионная. При этом иногда наблюдается снижение качества, связанное с более низкой культурой производства.
Вернемся к механизму воздействия плазмы на люминофорный слой. Если с условиями, возникающими при бомбардировке, все более или менее ясно, то вопрос о влиянии плазмы на люминофор в готовой лампе значительно интереснее и сложнее.

Казалось бы, температура плазмы при рабочих токах столь мала, что энергии заряженных частиц недостаточно для разрушения люминофора. Это справедливо для обычных режимов работы неоновой лампы. Но на самом деле в зависимости от ряда условий процесс газового разряда способен претерпевать довольно значительные изменения.

Во-первых, в зависимости от температуры окружающей среды в очень широком диапазоне меняется давление паров ртути, что в свою очередь сказывается на напряжении горения лампы и динамическом сопротивлении. В условиях пониженных температур напряжение горения в момент зажигания обычно выше на 50-100 В, а динамическое сопротивление ртутных ламп меняет знак и становится отрицательным. Запомним этот важный факт.

Во-вторых, кроме протекания тока основной частоты (50 Гц либо 20-30 кГц) в лампе может наблюдаться целый спектр высокочастотных колебаний, способных резко менять характеристики лампы и распространяться за пределы разрядного промежутка и электрической цепи.

В-третьих, лампа в процессе работы взаимодействует с элементами конструкции световой установки, создавая емкостные паразитные связи, которые могут оказывать активное влияние на устойчивость разряда. Это выражается в провоцировании высокочастотных колебаний.

Поскольку в специальной литературе по неоновой технологии нет сведений о колебаниях в плазме разряда, имеет смысл остановиться на этом явлении подробнее.

Колебания в плазме разряда

Плазма разряда обладает ярко выраженными нелинейными свойствами, что отражается в так называемой вольтамперной характеристике (ВАХ), изображенной на рисунке. Начальный пик этой характеристики соответствует процессу зажигания самостоятельного разряда, а пологий участок - тлеющему разряду, который является рабочим для неоновой лампы. В случае разряда в неоне, аргоне и их смесях наклон ВАХ носит отрицательный характер, что соответствует отрицательному динамическому сопротивлению. Разряд в парах ртути характеризуется слабым положительным наклоном ВАХ для больших диаметров трубок и слабым отрицательным - для малых диаметров. Если в момент зажигания давление паров ртути невысокое (при низкой температуре), тогда наклон ВАХ отрицательный.

Разряду присущи свойства реактивных элементов, прежде всего индуктивности. Вся электрическая цепь тоже обладает реактивностью (индуктивность вторичной обмотки газосветного трансформатора и паразитные емкости). В результате образуется колебательная система. Наличие в ней отрицательного сопротивления, обусловленного падающим участком ВАХ, может привести к автоколебаниям, которые называются реактивными. Частота колебаний лежит в пределах 200-500 кГц.

Возможны два режима колебаний - мягкий и жесткий. Колебания в мягком режиме имеют гармонический характер и малую амплитуду. При реализации жесткого режима колебания носят релаксационный характер. В этом случае разряд может даже стать прерывистым.

Рассмотрим основные закономерности реактивных колебаний. Их амплитуда растет с уменьшением тока.

Последнее чаще всего связано с ошибками расчета световой линии и с токами утечки по паразитным монтажным емкостям. В этом случае уменьшается значение балластного сопротивления, роль которого выполняет вторичная обмотка газосветного трансформатора. Электрическая цепь становится неустойчивой, вследствие чего и возникают колебания. При этом, чем меньше значение балластного сопротивления, тем больше амплитуда колебаний.

Реактивные колебания характеризуются радиальным движением зарядов (электронов и ионов), значительно более интенсивным, чем при обычном механизме диффузии. Рост радиального движения зарядов приводит к заметной эрозии пюминофорного слоя. Под действием радиальной составляющей электрического поля ионы ртути способны глубоко проникать вглубь пюминофорного слоя и там рекомбинировать с электронами (превращаться в нейтральные атомы). Там они создают стойкие слои конденсированной (сорбированной) ртути, экранирующие воздействие УФ-излучения разряда на люминофор. Особо следует подчеркнуть, что процесс поглощения ртути в этом случае протекает по хемосорбционному механизму, для которого характерны высокие значения энергии связи. Поэтому десорбция ртути (в данном случае испарение) из таких слоев при рабочих токах невозможна. Это и является одним из основных механизмов образования зон пониженной яркости, которые через некоторое время превращаются в темные пятна.

Для сокращения амплитуды реактивных колебаний необходимо:

• снижать напряжение горения каждой лампы в световой линии, что достигается уменьшением длины лампы и (или) увеличением ее диаметра;
• устанавливать нормальную нагрузку на трансформатор, при которой ток в цепи должен соответствовать рабочему току трансформатора;
• уменьшать значения паразитных емкостей цепи;
• использовать примеси (добавки) тяжелых инертных газов (криптон, ксенон), смещающих порог возбуждения жестких колебаний в область более низких токов.

Дадим некоторые практические рекомендации. Если мы хотим уменьшить опасность возникновения жестких режимов колебаний, стимулирующих образование слоев ртути на люминофоре, необходимо изготавливать пампы длиной не более 1.2-1.5 м, особенно если они имеют диаметр 10-15 мм. При больших диаметрах длина лампы может быть увеличена. Этот вывод подтверждается результатами исследований ламп с описанным дефектом.

Установка нормальной нагрузки чаще всего производится с помощью таблиц расчета световых линий6. Большинство таблиц рассчитано на американские или европейские стандарты сетевого напряжения и на умеренные температуры, поэтому в российских условиях они дают большие погрешности. Если полностью доверять этим таблицам, световые линии в условиях пониженных температур будут перегружены, что обязательно приводит к возникновению реактивных колебаний. Поэтому необходимо корректировать нагрузку во время монтажа на основе прямых измерений тока в световой линии.

Величина паразитных емкостей определяется конструктивными особенностями световой установки, используемыми материалами и культурой монтажа. К примеру, большие токи утечки возникают при монтаже неоновых ламп с загибом электродов под углом 180 градусов на металлическом основании или при расположении трубок вблизи металлических поверхностей. Паразитные емкости образуются соответственно между электродами или трубкой и металлической поверхностью. Для уменьшения токов утечки рекомендуется загибать электроды под углом 90 градусов, убирая при этом электродные узлы в отверстия основания, а трубки прикреплять на стойках на большом расстоянии от основания.

Другой пример сильного влияния токов утечки приводится в книге А. Афанасьева. Автор показывает, что при включении неоновых ламп в цепь высокочастотного трансформатора близкое расположение металлических поверхностей и высоковольтных проводов от поверхности трубки приводит к образованию зон пониженной яркости. Из практики известно, что это вполне справедливо и для случая использования обычных трансформаторов, если в световой линии возникают интенсивные реактивные колебания. Более того, скорость образования темных зон в этом случае еще выше, поскольку больше частота колебаний.
Немалый вред устойчивости световой цепи приносят ошибки монтажа. Нередки случаи, когда высоковольтные провода прокладываются непосредственно по металлу или "жгутуются".

Для снижения токов утечки рекомендуется:

• убирать провод в гофрированный шланг с заделкой силиконовым герметиком;
• подвешивать провод на стойках относительно металлических частей установки;
• использовать проходные силиконовые втулки.

Кроме реактивных колебаний в газовом разряде существуют так называемые стратовые колебания (волны ионизации). Их существование обусловлено несовпадением максимумов концентрации и ионизации. Максимумы ионизации сдвинуты в сторону катода, куда перемещаются обычно волны ионизации. При своем движении страты создают колебания с частотой, лежащей в интервале от десятков килогерц до мегагерц. Возникновение самоподдерживающихся колебаний зависит от длины трубки, давления и рабочего тока (приблизительно так же, как и в случае реактивных колебаний). Страты не только модулируют разряд во времени, но и делают его пространственно неоднородным. Распределение интенсивности излучения разряда, модулированного бегущими стратами, имеет вид стоячей волны. Следует отметить немаловажный для нашего исследования факт. При распылении активного слоя электродов испарившийся материал под действием страт осаждается в виде темных колец на поверхности стекла на довольно большом расстоянии от электрода. В остальном влияние стратовых колебаний на процессы образования темных пятен аналогично процессам с участием реактивных колебаний.

Особенности протекания катафореза при эксплуатации газосветных ламп

С явлением катафореза производители неоновой рекламы знакомы в основном по внешним его проявлениям. Конечная стадия этого процесса - сосредоточение ртути в одном из электродов. При этом область, прилегающая к электроду, где нет ртути, имеет пониженную яркость свечения. В основе описанного явления лежит несимметричность лампы, возникающая из-за разной эмиссионной способности электродов. В этом случае лампа начинает проявлять свойства диода, а значит, в световой цепи возникает постоянная составляющая тока, которая и является "движущей силой" миграции ртути к тому электроду, который обладает большими катодными свойствами. Все это достаточно хорошо известно. Гораздо интереснее вопрос о причинах несимметричности.

Наиболее просто предположить, что различная эмиссионная способность электродов является результатом первичного дефекта электродов либо связана с их неоднородным активированием на откачном посту. Это, безусловно, имеет место в практике производства неоновых ламп и связано вовсе не с ошибками откачников, которые всегда стараются добиться равномерного прогрева, а с первичной "загрязненностью" электродов. В этом случае возможно частичное отравление активированной поверхности, прежде всего углеродными пленками. О наличии дефекта косвенно можно судить по черному налету на керамической втулке электрода. Бороться с этим явлением трудно, но возможно. Реальная несимметричность ламп, определяемая как разность напряжений горения в прямом и обратном направлении, обычно (за редким исключением) не превышает 10-20 В. Такая несимметричность говорит лишь о предрасположенности данной лампы к возникновению в ней эффекта катафореза. Чтобы этот эффект начал протекать с большой скоростью, необходимы дополнительные условия, способствующие резкому росту несимметричности. Такие условия возникают при наличии в лампе реактивных колебаний большой амплитуды. Появление реактивных колебаний приводит к понижению потенциала плазмы, причем вблизи катода оно наиболее резкое. Связано это, по всей видимости, с заметной вторичной электронной эмиссией со стенок колбы в области отрицательного свечения. Локализация колебаний, стимулированная действием паразитных емкостей, и приводит к "наведенной" несимметричности лампы. Таким образом, главной причиной возникновения катафореза следует считать действие реактивных колебаний.

Подведем итоги нашего исследования феномена возникновения темных пятен на поверхности газосветных трубок.

Во-первых, появление темных пятен связано с протеканием двух основных процессов: химической сорбции (хемосорбции) паров ртути с поверхностью люминофора и катафореза.

Во-вторых, скорость этих процессов в обычных условиях мала и резко возрастает при понижении температуры эксплуатации и при возникновении колебаний большой амплитуды в разрядной плазме.

В-третьих, условия для возникновения колебаний есть результат ошибок проектирования газосветных установок и низкой культуры проведения монтажных работ.

Сегодня холода уже позади, и многие вывески восстановились. Но нет никакой гарантии, что они "переживут" следующую зиму, если, конечно, не принять соответствующие меры по предотвращению неисправностей.