Цезиевая лампа с двумя лейкосапфировыми оболочками
Полезная модель относится к газоразрядным лампам (ГРЛ) с плазмообразующей средой на основе цезия.
Особенность заявляемой конструкции ГРЛ состоит в том, что защитная оболочка из лейкосапфира в зоне спая с герметизирующим элементом каждого из токоподводов снабжена металлизационным покрытием из титана, наружняя поверхность которого конгруэнтна внутренней поверхности герметизирующего элемента в зоне спая, причем толщина металлизационного покрытия составляет от 10 до 35 мкм.
Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемой конструкции, заключается в увеличении процента выхода годных при серийном производстве ГРЛ с плазмообразующей средой на основе цезия.
Полезная модель относится к источникам оптического излучения, предназначенным для использования в качестве излучающего элемента в устройствах формирования направленного некогерентного модулированного инфракрасного (ИК) излучения.
Известно, что при разработке любого оптического излучателя характеристики входящего в его состав источника первичного оптического излучения (излучающего элемента) определяются с учетом назначения и условий функционирования этого излучателя. Таким образом, основной задачей, стоящей перед разработчиком источника оптического излучения, с учетом его аппаратурного применения, указанного выше, является обеспечение необходимого уровня интенсивности ИК излучения.
В настоящее время в качестве первичного источника оптического излучения используется, как правило, газоразрядная лампа (ГРЛ), которая в самом общем случае представляет собой устройство преобразования электрической энергии в оптическое излучение при прохождении электрического тока через плазмообразующую среду, причем заданный спектральный диапазон генерируемого ГРЛ оптического излучения обеспечивается путем выбора оптимального состава плазмообразующей среды, в которой формируется электрический разряд, и использованием ограничивающей разряд оболочки (т.н. разрядной оболочки) из прозрачного в заданной области спектра материала.
Известно, что ИК излучение обеспечивает электрический разряд в плазмообразующей среде на основе цезия [1] и, следовательно, разрядная оболочка ГРЛ с таким наполнением может быть выполнена исключительно из бесцветного лейкосапфира, поскольку этот материал обладает прозрачностью в ИК области спектра и устойчив к химическому воздействию паров цезия [2]. Интенсивность излучения ГРЛ с плазмообразующей средой на основе цезия (т.н. цезиевая ГРЛ) в ИК диапазоне является функцией температуры плазмы, в которой происходит электрический разряд, т.е. увеличение мощности ГРЛ, что крайне важно с учетом ее аппаратурного использования, приводит к нагреванию выполненной из лейкосапфира разрядной оболочки ГРЛ до весьма высокой температуры. Кроме того, как следует из работы [2], в ряде случаев одним из существенных требований, предъявляемых к цезиевой ГРЛ, является обеспечение необходимой величины глубины модуляции генерируемого ГРЛ ИК излучения при заданном уровне пиковой силы излучения. Указанное требование может быть выполнено за счет модуляции разрядного тока цезиевой ГРЛ, причем принципиальная особенность такой ГРЛ состоит в том, что ее излучение содержит как модулированную, так и немодулированную составляющие. Источником модулированной составляющей излучения является исключительно разряд в парах цезия, а источником немодулированной составляющей излучения является, в первую очередь, тепловое излучение разрядной оболочки. Совершенно очевидно, что чем выше величина немодулированной составляющей генерируемого цезиевой ГРЛ ИК излучения при фиксированной величине модулированной составляющей излучения, тем меньше глубина модуляции ИК излучения, генерируемого цезиевой ГРЛ, и, следовательно, ниже эффективность функционирования ГРЛ при ее аппаратурном использовании. Как показано в работе [3], снижение немодулированной составляющей генерируемого цезиевой ГРЛ ИК излучения при фиксированной величине модулированной составляющей можно обеспечить за счет термостатирования разрядной оболочки ГРЛ в условиях принудительного воздушного охлаждения.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой цезиевой ГРЛ является т.н. цезиевая лампа с двумя лейкосапфировыми оболочками, конструкция которой приведена в [4]. Указанная ГРЛ, выбранная в качестве прототипа, содержит наполненную плазмообразующей средой на основе цезия разрядную горелку с прямой трубчатой оболочкой из лейкосапфира, установленную соосно с образованием заполненного неоном кольцевого зазора в защитной (внешней) оболочке из лейкосапфира, на противоположных концах которой установлены находящиеся в электрическом контакте с токовводами электродных узлов разрядной горелки токоподводы. Герметизация внутренней полости защитной оболочки цезиевой ГРЛ осуществлена за счет вакуумно-плотного соединения по части наружной боковой поверхности защитной оболочки с внутренней поверхностью входящих в состав токоподводов металлических герметизирующих элементов. Таким образом, надежность функционирования цезиевой ГРЛ в составе устройства, предназначенного для формирования направленного некогерентного модулированного ИК излучения, определяется возможностью термостатирования разрядной оболочки ГРЛ (разрядной горелки) в условиях принудительного воздушного охлаждения защитной оболочки, что с необходимостью требует обеспечения герметичности внутренней полости защитной оболочки, которая достигается при обеспечении вакуумно-плотного неразъемного соединения защитной оболочки с герметизирующими элементами токоподводов.
Одним из самых простых, доступных и, следовательно, широко применяемых на практике приемов по обеспечению вакуумно-плотного соединения герметизирующих элементов токоподводов с оболочкой ГРЛ является пайка. Пайкой называется процесс соединения находящихся в твердом состоянии деталей (в данном конкретном случае - лейкосапфировая оболочка и металлический герметизирующий элемент) путем введения в зазор между ними промежуточного припоя, который плавится при более низкой температуре, чем материал соединяемых деталей, образуя жидкую прослойку, кристаллизация которой при остывании приводит к образованию паяного шва (т.н. спая). При пайке формирование шва определяется, главным образом, процессами смачивания и капиллярного течения припоя в состоянии расплава на границе "поверхность детали - расплав припоя". Соответственно, величина зазора между сочленяемыми посредством спая деталями на всех участках паяного шва должна быть неизменна, так как при превышении зазора на отдельных участках заданной величины действие капиллярных сил уменьшается и расплав припоя оказывается не в состоянии заполнить такой зазор. Известно, что спай лейкосапфира с металлом имеет ряд особенностей. Так, спай защитной оболочки с герметизирующим элементом посредством стеклоэмали затруднен, поскольку образующаяся при этом стеклофаза не обеспечивает необходимую вакуумную плотность и механическую прочность из-за хрупкости спая [3], а пайка твердыми металлическими припоями (например медью) затруднена, поскольку припой в состоянии расплава не смачивает лейкосапфир [5]. Краевые углы смачивания металлического припоя в состоянии расплава на поверхности лейкосапфира обычно составляют 110-130°, что совершенно недостаточно для нормального заполнения припоем зазора между наружной поверхностью защитной оболочки из лейкосапфира и внутренней поверхностью металлического герметизирующего элемента. Однако, краевой угол смачивания может быть значительно уменьшен (до 10-20°), если в припой добавить несколько процентов активного металла (титан или цирконий) [6]. При повышенных температурах активный металл образует с припоем расплав с высокой реакционной способностью, который смачивает лейкосапфир и взаимодействует с ним, обеспечивая получение вакуумно-плотного спая. Сложность формирования такого спая связана с высокой активностью используемого в качестве присадки к металлическому припою активного металла (в частности титана) и его способностью, с одной стороны, вступать при пайке во взаимодействие с лейкосапфиром, а с другой - образовывать интерметаллические соединения с металлом, используемым в качестве припоя. Оба эти процесса, в конечном счете, приводят к образованию в спае различных фаз, которые, обладая самыми разнообразными свойствами, могут или способствовать формированию вакуум-плотного соединения с лейкосапфиром, или ослаблять спай. Свойства этих фаз определяются температурой, при которой формируется спай, временем выдержки спая в состоянии расплава и количественным соотношением припой-титан. Как следует из работы [5] существует тесная связь оптимального режима пайки с количественным соотношением титан-припой, что делает такой метод пайки довольно сложным и трудно воспроизводимым, поскольку даже незначительные отклонения от оптимальных значений могут привести к неблагоприятному эффекту.
Таким образом, недостаток конструкции цезиевой лампы с двумя лейкосапфировыми оболочками, выбранной в качестве прототипа, заключается в практической невозможности обеспечить гарантированно высокий процент выхода годных по герметичности спая защитной оболочки с герметизирующими элементами токоподводов при серийном производстве цезиевой ГРЛ.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в формировании спая, обеспечивающего вакуумно-плотное соединение защитной оболочки из лейкосапфира с металлическими герметизирующими элементами токоподводов и обладающего высокой степенью воспроизводимости.
Технический результат, соответственно, заключается в увеличении процента выхода годных при серийном производстве цезиевых ламп с двумя лейкосапфировыми оболочками.
У заявляемой цезиевой лампы с двумя лейкосапфировыми оболочками, как и у ГРЛ, выбранной в качестве прототипа, каждый из токоподводов содержит герметизирующий элемент, спай которого с защитной оболочкой выполнен охватывающим.
Отличие заявляемой цезиевой лампы от прототипа состоит в том, что защитная оболочка из лейкосапфира в зоне спая снабжена металлизационным покрытием из титана, наружная поверхность которого конгруэнтна внутренней поверхности герметизирующего элемента в зоне спая, причем герметизирующий элемент выполнен из ковара, в качестве припоя использована медь, а толщина металлизационного покрытия составляет от 10 до 35 мкм.
На фиг.1 приведено схематическое изображение варианта конкретного исполнения заявляемой цезиевой лампы в зоне спая герметизирующего элемента токоподвода с защитной оболочкой. Лампа содержит защитную оболочку 1 из лейкосапфира. Со стороны каждого их торцов защитной оболочки 1 установлены герметизирующие элементы 2 токоподводов (на фиг.1 показан только один из них). В зоне спая защитной оболочки 1 и герметизирующего элемента 2 защитная оболочка 1 снабжена металлизационным покрытием 3, которое выполнено по наружной поверхности защитной оболочки 1. Герметичное (т.е. вакуумно-плотное) соединение защитной оболочки 1 с герметизирующим элементом 2 выполнено посредством спая на основе металлического припоя 4, который заполняет зазор между внутренней поверхностью герметизирующего элемента 2 и обращенной к ней поверхности металлизационного покрытия 3 защитной оболочки 1. Именно поэтому покрытие 3 выполнено так, что обращенные одна к другой поверхности покрытия 3 и герметизирующего элемента 2 являются конгруэнтными для обеспечения постоянного по величине зазора. Герметизирующий элемент 2 выполнен из ковара. В качестве припоя 4 использована медь. Металлизационное покрытие 3 выполнено из титана.
Следует отметить, что сам принцип использования предварительной металлизации с применением тугоплавких металлов, подготавливающих одну из сочленяемых посредством спая деталей с использованием твердого металлического припоя, достаточно хорошо известен [8]. Однако, такой прием используется, как правило, для изготовления металлокерамических элементов СВЧ приборов, а для производства цезиевых ламп с двумя лейкосапфировыми оболочками используется впервые.
Особенность заявляемой конструкции цезиевой лампы состоит в том, что металлизационное покрытие 3 на защитной оболочке 1, выполненной из лейкосапфира, формируется до осуществления спая на основе твердого металлического припоя 4 с герметизирующим элементом 3. Нанесение покрытия 3 на оболочку 1 в зоне спая может быть осуществлено одним из известных в настоящее время способов, например, за счет дугового напыления в вакууме [9]. Такой способ изготовления покрытия 3 обеспечивает, во-первых, хорошую адгезию титана к лейкосапфиру, что фактически осуществляет герметичность соединения на границе раздела "титан-лейкосапфир", а, во-вторых, формирование равномерного по толщине слоя титана (заданной толщины) при достаточно высокой воспроизводимости. Фактически в данной конструкции цезиевой лампы металлизационное покрытие 3 является переходным слоем для обеспечения спая защитной оболочки 1 с герметизирующим элементом 2 и определяет качество спая в целом.
Известно [8], что для получения качественного спая температура пайки должна превышать температуру плавления припоя не более, чем на 50-70°C, и, следовательно, при использовании в качестве припоя 4 меди, температура плавления которой составляет 1083°C, спай следует осуществлять в диапазоне температур от 1030°C до 1050°C. В процессе пайки титан вступает во взаимодействие с материалом припоя, что приводит к нарушению однородности металлизационного покрытия 3 на части его толщины. В работе [10] показано, что при температуре порядка 1150°C такое нарушение однородности покрытия из титана имеет место в примыкающем к припою слое титана толщиной порядка 10 мкм, т.е. толщина выполненного из титана металлизационного покрытия должна превышать 10 мкм. Однако, следует иметь в виду, что увеличение толщины металлизационного покрытия 3 неминуемо приводит к увеличению механических напряжений в примыкающей к покрытию лейкосапфировой оболочке 1, а, поэтому, толщина металлизационного покрытия 3 не должна превосходить определенный предел для обеспечения гарантированной механической прочности цезиевой лампы в зоне спая герметизирующего элемента токоподвода 2 с защитной оболочкой 1. Из приведенных в работе [8] данных следует, что в данном конкретном случае толщина титанового металлизационного покрытия 3 не должна превышать 25-35 мкм. Таким образом, надежность в отношении герметичности сочленения металлизационного покрытия 3 с лейкосапфировой оболочкой 1 может быть обеспечена только при условии, что толщина выполненного из титана покрытия 3 составляет от 10 до 35 мкм.
Предлагаемая конструкция обеспечивает высокую степень воспроизводимости вакуумно-плотного соединения защитной оболочки 1 с герметизирующим элементом 2 цезиевой лампы с двумя лейкосапфировыми оболочками, что, соответственно, обеспечивает гарантированно высокий процент выхода годных при серийном производстве.
Цезиевая лампа с двумя лейкосапфировыми оболочками в соответствии с заявляемым решением разработана для серийного производства с использованием типовых технологий и стандартного оборудования.
Литература:
1. Прикладная физика, 2009, 
1, c.53.
2. Светотехника, 1998, 3, с.22.
3. Гавриш С.В. Разработка и исследование импульсного источника инфракрасного излучения на парах цезия: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М.; 2005.
4. Патент РФ на ПМ 32321, 10.09.2003 Бюл. 25.
5. Физика и химия обработки металлов, 1972, 4, с.123.
6. Сварное производство, 1974, 8, с.8.
7. Обзоры по электронной технике. Сер. 4 (электровакуумные и газоразрядные приборы), выпуск 1 (272), ЦНИИ "Электроника", 1975.
8. Батыгин В.Н., Метелкин И.И., Решетников A.M. Вакуумно-плотная керамика и ее спаи с металлами. М.: Энергия, 1973.
9. Кудинов В.В., Бобров Г.В. Нанесение покрытий напылением. Теория, технология и оборудование. - М.: Металлургия, 1992.
10. Неорганические материалы, 1973, т.9, 10, с.1798
Цезиевая лампа с двумя лейкосапфировыми оболочками, каждый из токоподводов которой содержит герметизирующий элемент, спай которого с защитной оболочкой выполнен охватывающим, отличающаяся тем, что защитная оболочка из лейкосапфира в зоне спая снабжена металлизационным покрытием из титана, наружная поверхность которого конгруэнтна внутренней поверхности герметизирующего элемента в зоне спая, причем герметизирующий элемент выполнен из ковара, в качестве припоя использована медь, а толщина металлизационного покрытия составляет от 10 до 35 мкм.
