База знаний, Статьи 12838

Откачка газосветных ламп

Виктор Марков

Как правило, термин "откачка" ассоциируется со всем процессом изготовления неоновой лампы на вакуумном посту. Поэтому может сложиться впечатление, что эта операция и средства ее реализации (насосы) - чуть ли не главные факторы, определяющие качество неоновой продукции. В дальнейшем мы увидим, что откачку следует считать необходимым, но недостаточным условием производства качественных ламп.

Откачка - одна из операций электровакуумного цикла изготовления газосветных ламп, заключающаяся в удалении газообразных примесей из вакуумной системы поста с помощью вакуумного насоса. Под газообразными примесями будем понимать молекулярные газы, пары воды и ртути, а также пары низкомолекулярных органических веществ. Примеси указанного типа, обладая большой летучестью, сравнительно легко десорбируются с поверхности и удаляются насосом. Другая часть примесей - тяжелые углеводороды, напротив, малоподвижны и поэтому практически не удаляются из лампы и вакуумной системы поста. В плазме разряда эти примеси подвергаются полимеризации, что приводит к отравлению люминофорного слоя и активированной поверхности электродов.

Считается, что для нормальной работы лампы необходимо, чтобы давление остаточных газов в ней не превышало 10-3 Тор (10-1 Па). Однако на практике это понятие ошибочно отождествляют с предельным значением остаточного давления в вакуумной системе поста, которое замеряется вакуумметром. Посмотрим, к чему это приводит.

Предельное давление остаточных газов в вакуумной системе определяется следующим образом:

  • Pпр=(Qг+Qобр+Qн)/Sн, где:
  • Pпр - значение предельного вакуума в системе
  • Qг - поток газовыделения со стенок вакуумной системы и неоновой лампы
  • Qобр - обратный поток паров масла из насоса (для масляных насосов)
  • Qн - поток натекания в систему (для герметичных систем Qн=0)
  • Sн - скорость откачки насоса

Из приведенной формулы видно, что увеличения вакуума можно добиться либо путем снижения потоков Qг, Qобр, либо с помощью увеличения скорости откачки насоса. При использовании высоковакуумных насосов можно легко получить давление в системе на уровне 10-3-10-6 Тор даже без прогрева лампы. Однако такая лампа после заполнения и отпайки работать не будет, поскольку при отсутствии откачки давление в лампе (за счет газовыделения) возрастет до величины, превышающей 10-3 Тор. Иными словами, "откачка" не в состоянии уменьшить значение Qг. Это достигается только в процессе проведения ионно-плазменной обработки (бомбардинга).

В лампе, прошедшей такую обработку, поток газовыделения имеет предельно низкое значение, а давление остаточных газов является результатом установления динамического равновесия двух процессов - газовыделения с внутренних поверхностей лампы и газопоглощения активными поверхностями электродов (эффект ионной откачки). По величине скорость такой откачки мала, однако ее вполне хватает для поддержания давления остаточных газов на требуемом уровне (10-3 Тор).

Таким образом, главную роль в обеспечении качества неоновых ламп играет ионно-плазменная обработка, в результате которой снижается значение потока газовыделения внутрь лампы. Откачка может только ускорить процесс уменьшения этого потока во времени, что, впрочем, мало влияет на срок изготовления лампы, который лимитирован периодом остывания лампы и вспомогательными операциями. Лампы, изготовленные с использованием высоковакуумной откачки, при прочих равных условиях по качеству не превосходят ламп, произведенных с использованием только форвакуумного (низковакуумного) насоса. Это говорит о том, что в процессе изготовления проявляются негативные факторы, которые способны свести на нет преимущества высоковакуумной откачки. К примеру, это загрязнения, вносимые в лампу во время ее отпайки от поста. Если на стенках штенгеля нет слоя органических молекул, электроды довольно быстро справляются с этими загрязнениями. Другой фактор связан с устройством и принципом работы насоса.

Большинство используемых в газосветном производстве насосов - маслонаполненные насосы. Для них характерно наличие так называемого обратного потока паров масла, который заносит в вакуумную систему поста углеводороды, то есть самые вредные для ламп загрязнения. Особенно сильно этот эффект проявляется в момент остывания лампы после прогрева, когда чистые поверхности начинают активно поглощать остаточные газы. Если температура насоса выше, чем у откачиваемого объекта, то обратный поток будет существовать до тех пор, пока вся рабочая жидкость из насоса не переместится в лампу. Таким образом, длительная откачка ламп снижает их качество.

Использование высоковакуумного насоса позволяет быстрее снизить значение Qг до приемлемой величины. В этом заключается основной смысл использования диффузионного насоса. Однако это далеко не единственный и эффективный путь борьбы с обратным загрязнением углеводородами.

Откачные средства для неонового производства

Как говорилось выше, одним из основных критериев выбора насоса для вакуумного поста следует считать величину обратного потока масла. Поэтому наиболее предпочтительными считаются так называемые безмасляные насосы - механические, турбомолекулярные, сорбционные, магнитные электроразрядные.

Перечисленные типы насосов позволяют кардинально решить проблему создания "безмасляного" вакуума в откачных постах. Однако распространение этих насосов сдерживается их высокой стоимостью и необходимостью квалифицированного обслуживания. Тем не менее, в автоматических и полуавтоматических постах, предназначенных для крупного производства, использование, к примеру, турбомолекулярных насосов в сочетании с безмасляными форвакуумными становится вполне оправданным.

Но есть и другой путь решения этой проблемы. Производители вакуумной техники давно и успешно используют различные методы и средства сокращения обратного потока паров из маслонаполненных насосов, позволяющие существенно снижать опасность органического загрязнения неоновых ламп.

Методы снижения обратного потока масла

Все методы можно условно объединить в две группы, одна из которых связана с подбором рабочих жидкостей и стабилизацией процесса парообразования, а вторая с улавливанием молекул масла, которые поступают противопотоком в вакуумную систему поста.

В механических насосах, наиболее часто используемых в вакуумных постах, для уменьшения обратного потока рекомендуется использовать синтетические масла, предназначенные для диффузионных высоковакуумных насосов. Так, для российских насосов чаще всего применяют масла марок ВМ-1, ВМ-5 или их зарубежные аналоги, к примеру, Alcatel №100. В случае применения высоковакуумных масел в механических насосах значение предельного вакуума и загрязнение обратным потоком снижается примерно в пять раз. Еще большие сложности возникают при выборе масла для диффузионных насосов. В этом случае величина обратного потока связана не только с параметрами масла, но и с конструктивными особенностями насосов.

В процессе откачки ламп масло в насосе может загрязняться частицами люминофора и парами воды, что активирует процессы его разложения (деструкции). Следует учитывать и возможность "прорыва атмосферы" при случайной разгерметизации ламп. Поэтому масло должно обладать высокой стойкостью к деструкции, что характерно для силиконовых (кремнийорганических) масел, которые чаще всего используются в стеклянных диффузионных насосах неоновых откачных постов. Это связано с тем, что в подобных насосах отсутствует система принудительного охлаждения, которое замедляет процессы деструкции. Однако масла этой группы имеют сравнительно невысокие вакуумные характеристики, что ограничивает их применение в высоковакуумных диффузионных насосах. Но поскольку стеклянные насосы относятся к средневакуумным, то использование в них силиконовых масел вполне оправданно. Увеличения скорости откачки и предельного вакуума можно достичь путем применения синтетических масел либо полифениловых эфиров (ПФЭ). В последнем случае предельный вакуум повышается сразу на три-четыре порядка. Однако эти масла более подвержены деструкции и поэтому требуют принудительного охлаждения насоса. Разработаны специальные присадки для синтетических масел, повышающие их термоокислительные свойства до уровня силиконовых масел. Такие модифицированные масла могут успешно использоваться в насосах с естественным охлаждением.

Характеристики диффузионных насосов (обратный поток и предельное остаточное давление) весьма чувствительны к температуре нагрева. С увеличением температуры остаточное давление сначала уменьшается, а затем, достигнув минимума, вновь начинает расти вследствие увеличения обратного потока. Для сокращения обратного потока температуру нагрева стабилизируют с помощью специальных электронных устройств. Однако следует учитывать, что для достижения оптимальной температуры необходимо подстраивать режим нагрева печи. Это требует знания свойств вакуумных масел, поскольку может стать причиной загрязнения вакуумной системы поста и, следовательно, снижения качества продукции.

Вакуумные ловушки

Вторая группа методов борьбы с обратным потоком масла связана с использованием специализированных средств - вакуумных ловушек, предотвращающих проникновение паров масла из насоса в вакуумную систему, а также паров воды и частиц люминофора из вакуумной системы в насос. По принципу действия различают механические, низкотемпературные (вымораживающие) и адсорбционные ловушки. По месту расположения они бывают форвакуумными (на входе механического насоса) и высоковакуумными (на входе диффузионного насоса).

Ловушки должны, во-первых, хорошо защищать неоновую лампу от проникновения в нее паров рабочей жидкости. Во-вторых, они не должны снижать быстроту действия насосов более чем на 30-40%. В-третьих, конструкция ловушек должна допускать периодическую очистку и регенерацию (последнее относится к их адсорбционным типам).

Наиболее эффективными являются вымораживающие ловушки, охлаждаемые жидким азотом. Однако высокая стоимость и малая доступность делают практически невозможным использование их в неоновом производстве. Поэтому предпочтение следует отдавать механическим и адсорбционным ловушкам.

Механические высоковакуумные ловушки являются наиболее простыми. Их действие основано на эффекте отражения потока молекул пара от различных препятствий, которыми могут служить металлические фильтры, сетки, наконец, клубок металлической проволоки или стружки, а также их сочетания. Обычно подобные ловушки изготавливают индивидуально для конкретной установки, но известны и унифицированные конструкции, к примеру, улавливатель 346-й серии фирмы VARIAN.

Механические ловушки обычно встраиваются в конструкцию диффузионного насоса в виде разного рода отражателей. Наиболее часто встречающиеся типы таких ловушек представлены на рис. 2. В некоторых типах насосов предусмотрено водяное охлаждение, что существенно повышает эффективность защиты. Стеклянные диффузионные насосы не имеют ловушек, что делает их использование в откачных постах опасным. Если периодически не производить очистку вакуумной системы от органических загрязнений, то качество неоновой продукции будет постепенно ухудшаться. В неоновых лампах появляется "белесость", которую ошибочно принимают за действие остаточных ртутных паров.

Принцип действия адсорбционных ловушек основан на поглощении газов и паров специальными веществами (адсорбентами или молекулярными ситами), к числу которых принадлежат силикагель, активированный уголь, цеолиты и др. Поскольку для этих веществ характерна избирательность поглощения по различным газам, то чаще всего в ловушках используют сочетания сорбентов. Рассмотрим два примера.

На рис. 3 представлен эскиз форвакуумной ловушки. Она представляет собой герметичный корпус с фланцами для подсоединения к механическому насосу и к вакуумной системе. В корпусе установлен сменный пакет с тремя слоями различных сорбентов. Нижний слой - активированный уголь, обладающий наибольшей сорбционной емкостью по парам масла, средний слой - оксид алюминия, верхний слой - силикагель, который активно поглощает пары воды, способные конденсироваться в насосе, и препятствует снижению сорбционной активности двух нижних слоев. Подобная ловушка может работать в течение трех-четырех недель до исчерпания сорбционной емкости. После этого следует либо произвести замену пакета, либо провести регенерацию, при которой выполняется нагрев сорбента при постоянной откачке насосом. Полость ловушки должна изолироваться от вакуумной системы поста. Большинство промышленных ловушек, к примеру ЛС2 (Россия), улавливатель 345-й серии (фирма VARIAN), а также ловушка ST 25С (фирма ALCATEL), снабжаются встроенной системой регенерации.

Заметим, что сорбционная ловушка создает заметное сопротивление потоку откачиваемых газов, причем наибольшее снижение скорости откачки наблюдается по инертным газам. Это не так важно, поскольку они являются рабочими газами для газосветной лампы. А по молекулярным газам - водяному пару, угарному и углекислому газам - скорость откачки даже выше, что обусловлено свойствами силикагеля. Активно сорбируются и ртутные пары, что защищает от зартучивания. Таким образом, использование сорбционной форвакуумной ловушки способно заметно повысить качество неоновых ламп.

Конструкция высоковакуумной сорбционной ловушки несколько иная. В них используется лабиринтный принцип расположения слоев сорбента. Кроме того, нет необходимости в защите от водяных паров, которые хорошо откачиваются маслом диффузионного насоса.

В заключение подведем итоги предпринятого исследования проблем откачки газосветных ламп.

Во-первых, качество газосветных ламп определяется не столько вакуумными характеристиками насосов, сколько качеством проведения электровакуумной обработки и величиной загрязнения вакуумной системы органическими примесями, причиной которого является обратный поток паров масла из вакуумных насосов.

Во-вторых, снижение величины органических загрязнений возможно за счет использования как безмасляных откачных средств, так и специальных методов и инструментов защиты, включая вакуумные ловушки.

Таким образом, усилия разработчиков откачных постов и технологов неонового производства должны быть направлены на усиление не столько вакуумных свойств откачного оборудования, сколько защиты от органических загрязнений за счет модернизации.