Вводы (контакты) разрядных ламп
Ввод является конструктивным узлом разрядной лампы, предназначенным для подвода тока от внешнего источника питания к электродам (катоду и аноду), расположенным внутри колбы. Ввод должен быть вакуумно-плотным во всем диапазоне температур при изготовлении и работе разрядной лампы и в течение всего срока службы, иметь малое электрическое сопротивление, иметь достаточную механическую прочность для работы лампы, быть конструктивным и технологичным.
По конструкции вводы можно разделить на разборные и неразборные. Наиболее широко распространены неразборные вводы.
Вводы представляют собой вакуумно плотные соединения металла со стеклом или керамикой. Кроме того, в конструкциях ламп встречаются вакуумно-плотные соединения металлов, стекол и керамики (или монокристаллов) между собой в различных сочетаниях.
Наиболее широко применяются горячие впаи металла в стекло, спаи стекла с металлом или стекла со стеклом. Они осуществляются путем «слипания» разогретого до размягчения стекла с металлом или стеклом. В связи с массовым выпуском ламп в керамических (или монокристаллических) оболочках теперь широко применяют также пайку металла с керамикой или керамики с керамикой при помощи стеклоцементрв, различные виды сварки металлов, например электроннолучевую и др.
В зависимости от соотношения температурных коэффициентов расширения впаиваемых материалов различают согласованные и несогласованные впаи.
Согласованными называют впаи, у которых температурный коэффициент расширения впаиваемого материала, например металла и стекла или двух стекол во всей рабочей области температур, т. е. от минимальной рабочей температуры лампы до температуры отжига стекла, совпадают. Практически допускается различие в коэффициентах теплового расширения до 10—15%. При впае металла в стекло выбирают Метхстекл, так как это обеспечивает надежное уплотнение за счет обжатия ввода стеклом после остывания. Кроме того, стекло лучше работает на сжатие, чем на растяжение. Возникающие при этом в стекле натяжения не должны превосходить допустимых пределов с точки зрения механической прочности впая. Применяемые в ламповой промышленности стекла делятся по коэффициенту теплового расширения на стекла «платиновой» группы (простые стекла), обладающие коэффициентом расширения, близко совпадающим с коэффициентом расширения платины а« да 90-Ю-7 "С-1, стекла «молибденовые» с ада50-Ю-7 °С «вольфрамовые» с адаЗб-Ю-7 °С-1 и кварцевое стекло с ада «6'1G~7 °С-1, для которого нет металла, подходящего по коэффициенту расширения во всем интервале температур.
Для согласования спая выбирается металл с согласованным коэффициентом расширения, например, для «молибденовых» стекол молибден, для вольфрамовых — вольфрам. Для впаев в простое стекло применяется обычно платинит.
Несогласованными называют впаи, у которых коэффициенты расширения стекла (керамики) и металла отличаются больше чем на 10—15%. В этом случае вакуумно-плотное соединение металла со стеклом во всем диапазоне рабочих температур и механическая прочность впая обеспечиваются такой конструкцией впая, при которой силы смачивания поверхноста впая со стеклом (керамикой) были бы больше разрывающих напряжений, возникающих за счет различия в их коэффициентах расширения.
Конструктивно вводы металла в стекло (кроме кварцевого) выполняются в форме ножечных и рантовых вводов различных конструкций. Чаще всего применяют плоские штампованные ножки гребешкового или кольцевого типа. Ввод состоит из соответствующей проволоки, непосредственно запаиваемой в стекло, внутреннего и внешнего звеньев. Внутреннее звено соединяется с электродом, а внешнее -с приспособлением для подключения лампы к источнику питания, например с цоколем. В рантовых впаях токоведущая часть ввода отделена от элемента, обеспечивающего вакуумное уплотнение. Поэтому их целесообразно применять в лампах, рассчитанных на большие силы тока. Схематически показан вид ножечных и рантовых вводов.
Ниже рассмотрены более подробно вводы в кварцевое стекло, поскольку они находят широкое применение в лампах высокой интенсивности различного типа.
Вводы в керамику, применяемые в основном в лампах высокого давления со щелочными металлами, так как их конструкция тесно связана с работой лампы.
Вакуумно-плотные вводы в кварцевое стекло. Существуют следующие типы вакуумно плотных вводов в кварцевое стекло: фольговые, вводы на переходных стеклах, колпачковые и разборные.
Фольговые вводы. Впай представляет собой полоску из молибденовой фольги, заваренную в кварцевое стекло. Полоска имеет в средней части сечения толщину порядка 20—25 мкм, к краям ее толщина уменьшается.
Схематически показан впай плоской фольги в кварц. Фольга для плоских впаев имеет обычно ширину в пределах от 1 до 6 мм и длину от 8 до 50 мм. Этот впай является примером несогласованного впая. Вакуумная плотность впая обеспечивается благодаря малой толщине фольги. В этом случае разрывающие усилия, возникающие между поверхностью кварца и фольгой при остывании впая после запайки, оказываются меньше сил смачивания. При увеличении толщины фольги выше некоторого предела разрывающие усилия превосходят силы смачивания, и фольга отрывается от кварца. Допустимая сила тока через фольговый ввод ограничивается, главным образом, нагревом фольги, имеющей вследствие малого сечения заметное сопротивление.
При работе на воздухе нагрев внешнего конца фольги, соприкасающегося с воздухом, выше 350—400 °С приводит к быстрому окислению молибдена. Сопротивление в месте окисления возрастает, что ведет к еще большему нагреву, в результате чего ввод выходит из строя. Окисленный молибден значительно увеличивается в объеме, что часто приводит к разрыву кварцевого стекла и разрушению впая.
Можно руководствоваться следующими ориентировочными данными о связи температуры фольги у внешнего ввода со сроком службы одиночного плоского вывода на воздухе. При Гф = ==300°С тда1-^2 тыс. ч, при 350 °С тда200 ч, при 400 °С Тда50 ч, при 450 °С тда 15 ч.
При работе в защитной среде или в вакууме опасность окисления фольги отпадает. В этом случае допустимая сила тока ограничивается температурой фольги, которая не должна превышать 700—800 °С, так как при более высокой температуре возрастает скорость кристаллизации кварцевого стекла и газовыделение из него
При больших значениях Р, например в импульсных лампах, местный нагрев, особенно в местах с повышенным сопротивлением, может привести к расплавлению фольги. Такими местами могут оказаться места точечной сварки фольги с выводом. Поэтому при относительно больших токах рекомендуется делать по два (и больше) внешних вывода и тщательно следить за качеством сварки.
Увеличение допустимой силы тока через фольговый ввод может быть достигнуто путем увеличения сечения фольги и отчасти ее ширины.
Толщина фольги без нарушения вакуумной плотности ввода может быть увеличена до 40—50 мкм путем нанесения на поверхность фольги и кварца тонкой пленки переходного стекла с а» (15-18) Ю-7 °С-1, улучшающей сцепление. Через плоский длинный ввод с такой фольгой можно пропускать токи до нескольких десятков ампер. Дальнейшее увеличение силы тока можно достичь только путем увеличения ширины фольги.
Для работы при силах тока от 20 до 100 А применяются цилиндрические фольговые вводы различного диаметра. Показан схематически цилиндрический фольговый ввод. Он представляет собой молибденовую фольгу толщиной около 50 мкм, согнутую в виде незамкнутого цилиндра. Внутрь цилиндра вставлен полый кварцевый вкладыш цилиндрической формы (давление в полости 2-Ю4—2,7-104 Па, 150— 200 мм рт. ст.). Вкладыши диаметром 6—8 мм делаются сплошными. С одного конца к цилиндру приварен электрод, а с другого — вывод. Для согласования внутреннего диаметра молибденового цилиндра с диаметром электрода на нем укрепляются втулки соответствующего диаметра из вольфрама или молибдена. В качестве материала для вывода иногда применяется сталь, что позволяет легче делать детали необходимой формы, в частности с резьбой. Собранный таким образом электрод с вводом заваривается под вакуумом в кварцевую трубку, являющуюся частью кварцевой заготовки лампы. Поверхность кварцевой трубки и вкладыша предварительно покрывается слоем переходного стекла. Цилиндрический фольговый ввод действует на том же принципе, что и плоский, но, вследствие того что поперечное сечение фольги увеличено, он допускает большие токовые нагрузки.
Принципиальным недостатком фольговых вводов является то, что тонкая молибденовая фольга не только служит вакуумным уплотнением, но и является токоведущей частью и, таким образом, ограничивает значение допустимого тока.
Эта трудность устранена в дисковых и чашечных вводах. В них молибденовая фольга, выполненная в виде Диска или чашечки с острыми краями, создает вакуумное уплотнение, но не является токоведущей частью. Токоведущей частью являются вольфрамовый и молибденовые стержни, диаметр которых может быть взят достаточно большим, так что по ним могут быть пропущены весьма большие токи. Схематический вид этих вводов в разрезе. Изготовление таких вводов представляет некоторые затруднения. Поэтому они не получили распространения.
Колпачковые вводы. Схематически представлен вид колпачкового ввода. Вакуумно-плотное соединение метал; лического колпачка с колбой осуществляется при помощи пайки. Для этой цели поверхность колбы в месте спая предварительно покрывается тонким слоем металла. Такого типа колпачковые вводы позволяют осуществлять ввод весьма больших токов. Они компактны и не требуют дополнительной цоколевки, применяются главным образом в импульсных лампах с газовым наполнением и лампах в колбах из поликора. При низких рабочих температурах пайка осуществляется индием, при высоких— титаном или другими металлами с подходящими свойствами.
Вводы на переходных стеклах. В этих вводах при помощи нескольких стекол с постепенно увеличивающимся коэффициенл том, расширения осуществляется переход от кварцевого стекла к вольфрамовому или молибденовому стеклу, в которое производится согласованный впай вольфрамового или молибденового прутка необходимого сечения. Таким образом удается осуществлять ввод на силы тока в сотни ампер. Показаны схематически конструкции подобных вводов. В вводе, стекла работают на сжатие, что обеспечивает большую прочность. Вводы на переходных стеклах применяют преимущественно в лампах с газовым наполнением, где температура ввода не влияет на давление в лампе. Недостатками этих вводов являются относительно низкая рабочая температура, определяемая рабочей температурой стекла, невысокая механическая прочность и сложность изготовления.
Разборные вводы и лампы. В последнее время получили распространение газовые лампы разборного типа различных конструкций. Это открывает широкие возможности для создания газовых ламп на большие мощности и давления. При этом изготовление ламп в значительной мере сводится к механической сборке со всеми преимуществами этого способа. Разборные вводы дают возможность применить водяное охлаждение электродов и таким путем резко повысить мощность лампы без существенного увеличения размера электродов и колбы. Газонепроницаемое соединение элементов лампы достигается в этом типе ламп за счет уплотнения той или иной конструкции, а не за счет заварки металла в стекло или их спайки. Приведен эскиз подобного ввода, разработанного В. П. Сасоровым. Для ламп с парами металлов и их соединений, работающих при высоких температурах «холодной точки», создать подобные вводы пока не удалось.