Спосіб введення ртуті у внутрішній об’єм електронних ламп (варіанти)

Винахід стосується способів уведення ртуті в електронні лампи і, переважно, стосується способів уведення дозованої кількості ртуті в електронні лампи, зокрема в неонові трубки, з використанням скляних капсул з рідкою ртуттю, розміщених у металевому контейнері. Як відомо, ртуть необхідна при виготовленні практично всіх газорозрядних електронних ламп, наприклад, ртутних випрямлячів, лазерів, а також флуоресцентних ламп. Флуоресцентні лампи виготовляють у вигляді скляних трубок, на внутрішню поверхню яких нанесені флуоресцентні матеріали. Трубки заповнюють інертним газом, наприклад, аргоном або неоном, а також мінімальною кількістю парів ртуті. Ртуть є основним компонентом, що забезпечує функціонування таких ламп. Однак висока токсичність ртуті створює серйозні проблеми екологічного характеру як при виробництві таких ламп, так і при демонтажі пристроїв, що містять ртуть, після закінчення терміну служби або у випадку їх пошкодження. Обсяги виробництва, які щорічно збільшуються, а також неухильний ріст асортименту ламп, що випускаються, наприклад, для такої галузі, як неонова індустрія, потребують введення обмежень щодо застосування ртуті і встановлення мінімально припустимої кількості, сумісної з вимогою функціонування таких ламп В даний час у багатьох країнах готується законодавча база по введенню міжнародних норм щодо застосування ртуті, які встановлюють мінімально припустимі дози ртуті для кожного виробу, що випускається. Раніше досить розповсюдженим було введення ртуті через штенгель в робочу зону лампи. Однак відкрите застосування рідкої ртуті спричиняє ряд проблем. По-перше, неминучі складності, пов'язані зі зберіганням та транспортуванням рідкої ртуті через високий тиск її парів при кімнатній температурі. По-друге, головним недоліком уведення рідкої ртуті до вакуумної обробки лампи (трубки) є потрапляння ртуті в устаткування у процесі відкачування і, як наслідок, викид парів у навколишнє середовище По-третє, при введенні рідкої ртуті практично неможливо витримати її точне дозування. За звичай в лампу подають значно більшу кількість ртуті у порівнянні із розрахунковими даними Останнє обумовлене тим, що ртуть, яка міститься в лампі, у рідкому вигляді через непряме нагрівання піддається поверхневому окислюванню і вступає в сполучення з матеріалами, з яких виготовлений електрод, і практично може бути використано тільки близько 40% від загального обсягу введеної в лампу ртуті. Іншими словами, окрім екологічних проблем, такий спосіб призводить до надлишкової витрати ртуті і не дозволяє забезпечити точне та відтворюване дозування. Щоб уникнути вищевказаних недоліків, у відомому рівні техніки пропонувалися альтернативні технології, засновані, наприклад, на використанні запаяних капсул, що містять певну кількість рідкої ртуті. І Такі капсули, що мають переважно циліндричну форму, встановлювали в робочому об'ємі лампи і після цього здійснювали процес відкачування з наступним вивільненням ртуті у внутрішній об'єм лампи за рахунок, наприклад, термічної дії. Так, у [патенті US, 4182971] запропоновано використання скляних капсул, що містять ртуть і закріплені на допоміжному електроді усередині робочої зони лампи. Високочастотною дією нагрівали капсулу, викликаючи розтріскування скла, що забезпечує вивільнення ртуті. Подібна технологія через тривалість нагрівальної дії призводить до окислювання ртуті і, як наслідок, до надмірності її витрати. Крім того, для здійснення такого відомого способу потрібні спеціальні електроди досить складної конструкції. У [патенті US, 4335326] з метою запобігання можливому повному руйнуванню капсули і потраплянню осколків у внутрішній об'єм лампи пропонується розміщати капсулу у захисному екрані усередині лампи, виготовленому із скла або металу. Зрозуміло, що встановлення таких капсул досить складне і при експлуатації не виключається пошкодження внутрішньої конструкції лампи. В основу винаходу поставлена задача створити такий спосіб уведення ртуті у внутрішній об'єм електронної лампи, у якому завдяки по суті миттєвому формуванню спрямованого потоку парів ртуті, створюваного поза робочою зоною лампи, вдалося б виключити забруднення ртуті і забезпечити, у результаті, точне дозування та можливість уведення розрахункових мінімальних кількостей ртуті. Крім того, запропонований спосіб не потребує застосування спеціальних електродів і може, при необхідності, бути використаний у будь-якому масовому виробництві продукції, яка випускається серійно, що є особливо перспективним при вирішенні екологічних проблем та проблем забезпечення точного дозування при виробництві флуоресцентних ламп і, особливо, неонових трубок. Поставлене завдання вирішене тим, що у способі введення ртуті у внутрішній об'єм електронних ламп з використанням скляних капсул з рідкою ртуттю, розміщених у металевому контейнері, один з торців якого має щонайменше один отвір з діаметром, набагато меншим від діаметра скляної капсули, відповідно до винаходу, до вакуумної обробки внутрішнього об'єму електронної лампи щонайменше одну із зазначених скляних капсул встановлюють у штенгелі відкритого електрода так, що отвір металевого контейнера звернений у бік робочої зони лампи. Після вакуумної обробки і заповнення внутрішнього об'єму інертним газом відокремлюють ділянку штенгеля з капсулою, що знаходиться в ньому, від відкачувального пристрою і здійснюють локальну дію на цю ділянку потужним електромагнітним випромінюванням. Така дія викликає по суті миттєвий розігрів металевого контейнера, що призводить до руйнування скляної капсули та інтенсивного випаровування рідкої ртуті, у результаті чого утворюється спрямований потік чистих парів ртуті, який через отвір у металевому контейнері швидко заповнює внутрішній об'єм лампи. Запропонований спосіб завершують відокремленням ділянки штенгеля, що залишилася, з металевим контейнером від електронної лампи, у результаті чого забруднений парами ртуті металевий контейнер виявляється герметично поміщеним у скляну оболонку. Таке виконання способу дозволяє створити джерело парів ртуті поза робочою зоною лампи і забезпечити практично миттєве потрапляння в робочу зону чистих парів ртуті замість використання тривалого за часом нагрівання ртуті та одержання частково окислених парів ртуті за рахунок подачі великих струмів на електроди лампи, що призводить у результаті до необхідності введення надлишкової кількості ртуті. Спосіб, що заявляється, є екологічно чистим, оскільки навіть після завершення процесу введення ртуті металевий контейнер, забруднений парами ртуті, разом із залишками зруйнованої скляної капсули знаходиться у герметичному стані. Це робить безпечним зберігання відходів ртуті та їх транспортування, наприклад, до місця їхньої наступної демеркуризації. Крім того, через те, що усередину трубки подається не рідка ртуть, а її пари, істотно зменшується час тренування електронних ламп. Спосіб, відповідно до винаходу, не вимагає створення спеціальних додаткових електродів і може знайти широке застосування у масовому виробництві ламп, що використовують стандартні електроди, зокрема, у виробництві неонових трубок. Відповідно до винаходу, більш прийнятним стає використання капсул з рідкою ртуттю у кількості від порядку 2,5мг до порядку 35мг і наступне контрольоване введення таких доз, наприклад, в стандартні флуоресцентні лампи. Нижня межа обраного діапазону обмежена технологічними можливостями виготовлення таких капсул, а застосування капсул з вмістом ртуті понад 35мг вимагає збільшення довжини штенгеля, що, безумовно, недоцільне. Доцільно також використовувати вакуумний метод при заповненні скляних капсул ртуттю, що дозволяє здійснити повне заповнення рідкою ртуттю внутрішнього об'єму капсули і виключити можливість окислювання ртуті усередині капсули, а також уникнути небажаних наслідків при потраплянні повітря в робочу зону лампи. У ще одному переважному варіанті здійснення способу доцільним є забезпечення локального електромагнітного випромінювання за допомогою пристрою високочастотного індукційного нагрівання потужністю від порядку 500Вт до порядку 1КВт. Обраний діапазон потужності дозволяє досягти необхідного рівня електромагнітного випромінювання протягом мінімального часу, наприклад, 1-5с, і не завдає шкоди обслуговуючому персоналу. Відповідно до ще одного з аспектів даного винаходу, найбільш ефективно може бути вирішена поставлена задача при введенні дозованої кількості ртуті у внутрішній об'єм неонових трубок відповідно до запропонованого способу. Запропонований спосіб у цьому варіанті втілення дозволяє забезпечити екологічно чистий спосіб уведення ртуті в неонові трубки різної конфігурації при строго дозованій кількості ртуті, що вводиться. За рахунок того, що в робочий об'єм неонових трубок ртуть вводиться у вигляді чистих парів, зменшується Можливість пошкодження і почорніння флуоресцентного шару і, відповідно, зростає довговічність таких трубок. Далі сутність винаходу описана більш докладно з урахуванням конкретних Прикладів здійснення способу відповідно до винаходу з посиланнями на креслення, що додаються, на яких: Фіг.1 представляє фрагмент електронної лампи з боку відкритого електрода з введеною в штенгель контейнера скляною капсулою з рідкою ртуттю, розміщеною у контейнері, до моменту вакуумної обробки внутрішнього об'єму цієї лампи відповідно до винаходу; Фіг.2 - скляна ампула з рідкою ртуттю, розміщена у металевому контейнері, у збільшеному вигляді; Фіг 3 - фрагмент електронної лампи з боку відритого електрода після відокремлення ділянки штенгеля зі скляною ампулою з рідкою ртуттю, що знаходиться в ньому, розміщеною у металевому контейнері, від відкачувального пристрою і введення цієї ділянки в індуктор пристрою високочастотного індукційного нагріву відповідно до винаходу. Як показано на фіг.1, до вакуумної обробки внутрішнього об'єму електронної лампи 1 запаяну скляну капсулу 2 з рідкою ртуттю 3, розміщену у металевому контейнері 4, встановлюють в штенгелі 5 переважно на його кінцевій ділянці, що прилягає до відкритого електрода 6. Як електронна лампа може бути використаний будь-який електронний пристрій, у якому світіння забезпечується за рахунок проходження електричного струму через розріджений газ (явище газового розряду). Металевий контейнер 4 (Фіг.2) виконаний по суті у вигляді тонкостінного циліндра, який оточує скляну капсулу. Такий контейнер може бути виготовлений з матеріалу, що задовольняє вимогам вакуумної гігієни, і, зокрема, з листового або трубчастого нікелю. Контейнер 4 (Фіг.2) має один негерметично закритий торець 7 і відкритий торець 8, який має щонайменше один отвір 9, діаметр якого набагато менше діаметра скляної капсули 2. Діаметр отвору 9 обирають таким чином, щоб осколки скла після руйнування капсули 2 не потрапляли у внутрішній об'єм лампи 1. Вакуумна обробка включає відкачку, здійснювану відкачувальним пристроєм 10 (Фіг.1). Відповідно до винаходу, контейнер 4 з капсулою 2 встановлюють у штенгелі 5 відкритого електрода так, що отвір 9 звернений у бік робочої зони лампи 1. Штенгель 5 потім припаюють до відкачувального поста пристрою 10. Після вакуумної обробки лампи, яка включає, окрім відкачування, промивку сумішшю газів, знегажування скла і активізації електродів, що передбачає, наприклад, прогрівання до 800-900°С струмами до 500 тА, і наступного заповнення внутрішнього об'єму інертним газом, наприклад, аргоном або сумішшю газів, ділянку штенгеля 5 з капсулою 2, що знаходиться в ньому, відокремлюють від пристрою 10. Потім цю ділянку штенгеля 5 піддають дії потужного електромагнітного випромінювання, що викликає по суті миттєвий розігрів металевого контейнера 4 і руйнування (вибух) скляної капсули. Ртуть, потрапляючи на стінки контейнера 4 (металевого циліндра), практично миттєво випаровується, створюючи при цьому досить великий тиск парів, у результаті чого утворюється спрямований потік чистих (неокислених) парів ртуті, який через отвір 9 заповнює внутрішній об'єм лампи 2. Локальне нагрівання металевого контейнера 4 може бути забезпечене лазерним, НВЧ-генератором, ВЧ-генератором тощо. Однак більш прийнятним є використання високочастотного індукційного нагрівання, що є досить простим, надійно контрольованим і безпечним засобом локального нагрівання. Для цього ділянку штенгеля 5 з розташованою в ній капсулою 2 вводять в індуктор 11 (фіг.3) пристрою високочастотного індукційного нагрівання (на фігурах не показано). При високочастотному індукційному нагріванні металевих циліндричних тіл індуковані в цих тілах вихрові струми, що створюють власні магнітні поля, взаємодіючи як один з одним, так і з вихідним полем, практично миттєво нагрівають металевий контейнер. Так, час нагрівання тонкостінного металевого контейнера може становити усього лише 1-5 с. В оптимальному варіанті здійснення доцільно використовувати пристрій високочастотного індукційного нагріву потужністю від порядку 500 Вт до порядку 1КВт. Саме такий діапазон дозволяє, по-перше, забезпечити швидке досягнення температур металевого контейнера порядку 900-1100 °С, при яких скляна капсула миттєво руйнується і створюється спрямований потік чистих парів ртуті, що заповнює внутрішній об'єм лампи 1. Більш тривала дія або використання більш високих потужностей призведе до небажаного нагрівання та пошкодження штенгеля. Після проведених операцій ділянку штенгеля 5, що залишилася, з металевим контейнером 4, забрудненим парами ртуті, відпаюють від лампи і ця ділянка виявляється герметично поміщеною у скляну оболонку. Дуже перспективним використанням способу, що патентується, є виробництво неонових трубок різних конфігурацій. Спосіб, відповідно до винаходу, дозволяє створити екологічно чисте виробництво і здійснити точне дозування ртуті, яка вводиться, без надлишкового принципу, що у кінцевому підсумку приводить до істотного заощадження і зменшення загальної витрати ртуті (приблизно у 10-15 разів для неонової продукції). Досягається збільшення терміну служби таких трубок. Запропонована технологія не потребує розробок та встановлення спеціальних електродів у таких трубках. Нижче наводяться конкретні приклади здійснення, що ілюструють винахід, який патентується. Як відомо, кількість ртуті, що вводиться, може бути розрахована для кожного конкретного об'єму виготовлюваного виробу. Наприклад, при виготовленні неонової трубки її внутрішній об'єм V розраховують за формулою: h × p d2 4 де h - довжина трубки, d - внутрішній діаметр трубки. Розрахункова кількість ртуті для конкретного об'єму може бути представлена у вигляді однієї або кількох доз, запаяних в одній або кількох капсулах. Як вже зазначалося вище, з метою здійснення даного способу більш прийнятним є використання скляних капсул, дози рідкої ртуті в яких складають від порядку 2,5мг до порядку 35мг. Зрозуміло, що для забезпечення можливості варіювання діапазоном доз, що вводяться, в одному або декількох металевих контейнерах може бути встановлено одну або декілька скляних капсул, загальний вміст ртуті в яких повинен відповідати розрахунковому значенню. Приклад 1 Вводили ртуть в неонову трубку діаметром 10мм і довжиною 1,2м. Використовували одну скляну ампулу діаметром 0,8мм, вміст ртуті в якій складав 12-15мг. Капсулу поміщали в контейнер довжиною 22мм, виготовлений з нікелевої трубки діаметром 1,25мм з товщиною стінок 0,05мм 3 одного торця контейнер мав отвір діаметром порядку 0,6мм. Контейнер у штенгелі встановлювали так, щоб отвір знаходився практично біля самого входу в робочу зону трубки. Після вакуумної обробки штенгель з контейнером відпаювали від відкачувального пристрою і вводили цю ділянку в індуктор ВЧ-генератора з робочою частотою 1,67МГц і потужністю 900Вт. Час дії складав 3 с. Потім ділянку штенгеля, що залишилася, з контейнером, забрудненим парами ртуті, відокремлювали від трубки. Відокремлену ділянку штенгеля складували для подальшої демеркуризації. Приклад 2 Ртуть вводили в неонову трубку складної конфігурації загальним об'ємом, дорівнюючим 200см3. У штенгелі, поблизу входу в робочу зону трубки, встановлювали два нікелевих контейнери, в одному з яких знаходилися дві скляні капсули з вмістом ртуті по 15мг у кожній, а у другому - одна скляна капсула з вмістом ртуті, що дорівнював 15мг. Технологія введення ртуті аналогічна описаній у Прикладі 1, за винятком того, що потужність ВЧгенератора дорівнювала 1КВт, а час дії складав 5 с. Приклад 3 Ртуть вводили в колби газорозрядного індикатора жевріючого розряду діаметром 6 мм і довжиною 18±2 мм. У масовому виробництві таких індикаторів в автоматизованому режимі у штенгелі кожної колби встановлювали нікелеві контейнери з скляною капсулою з вмістом ртуті, дорівнюючим 2,5 мг, і підключали систему вакуумної обробки. Час дії ВЧ-генератора потужністю 500 Вт складав 2-3 с. V=