Основні конструкційні матеріали для джерел світла

Найбільш характерними конструкційними матеріалами є:

  1. Тугоплавкі метали і сплави, що використовуються для тіл розжарювання ламп розжарювання, катодів газорозрядних ламп, тримачів тіл розжарювання, впаїв та ін;
  2. Скла різноманітних видів;
  3. Люмінофори різних марок, що перетворюють ультрафіолетове випромінювання розряду в газорозрядних лампах у видиме світло;
  4. Інертні гази, що застосовуються для наповнення ламп;
  5. Спеціальні матеріали, що формують середовище всередині лампи;
  6. Допоміжні конструкційні матеріали.

Метали і сплави

Більшість вказаних матеріалів відноситься до категорії електровакуумних. Це означає, що вони повинні підходити для створення герметизованих вакуумних об’ємів і, працюючи у вакуумі, не погіршувати його.

Важливими металами, що застосовуються при конструюванні джерел світла, є тугоплавкі метали, до яких відносяться вольфрам, молібден, тантал, ніобій, реній, цирконій і титан. Найбільш широко із них застосовується в джерелах світла вольфрам, що виконує найбільш відповідальні функції.

Крім тугоплавких металів при конструюванні джерел світла застосовують також інші метали та сплави. Часто використовують нікель – для електродів ламп, стійок, тримачів, покриттів цоколів та ін.; мідь – для електродів та ін.; алюміній – для катодів деяких типів неонових ламп тліючого розряду, цоколів ламп та корпусів стартерів, для приготування газопоглиначів та ін.; сталь – в основному для виготовлення зовнішніх деталей джерел світла.

Використовуються також численні сплави та композиції металів: феронікель, константан, ковар, платиніт, сплави заліза та нікелю з хромом для виготовлення запобіжників, впаїв зі склом та керамікою.

В джерелах світла застосовуються різноманітні метали, що покращують емісійні властивості катодів газорозрядних ламп (барій, калій, цезій та ін.), а також задіяних у формуванні внутрішнього середовища (ртуть, натрій, талій, індій, цезій, кадмій, галій, барій, магній та ін.).

Ртуть – відзначимо як найважливіший робочий матеріал газорозрядних ламп. Це срібляста рідина, єдиний рідкий метал при звичайній температурі. Має густину 13520кг/м3, температуру плавлення 234К ( - 39°С), високий тиск насичених парів, високу швидкість випаровування; її пари відрізняються низьким потенціалом іонізації в порівнянні з інертними газами. Більшість металів розчиняється в ртуті з утворенням амальгам. Залізо, вольфрам, тантал, графіт, скло, кераміка, слюда з ртуттю не взаємодіють. Ртуть та її пари (а також солі) шкідливі для людини; допустима концентрація парів ртуті в повітрі виробничих приміщень – 0,01мг/м3.

Скло

В джерелах світла використовують неорганічні скла. Це прозорий (безколірний або забарвлений) крихкий матеріал, який отримується при вистиганні розплаву, що містить склоутворюючі компоненти (оксиди кремнію, бора, алюмінію, фосфору, титану, цирконію та ін.) та оксиди металів (літію, калію, натрію, кальцію, магнію, свинцю). По типу  склоутворюючого компонента скло поділяють на силікатне, борне, боросилікатне, алюмосилікатне, бороалюмосилікатне та ін.

В залежності від того з яким металом скло утворює узгоджений спай, скла поділяють на групи: вольфрамову, молібденову, платинову та перехідну. Крім того, виділяють кварцову групу скел, титанову та залізну.

По температурі розм’якшення скла поділяють на легкоплавкі (м`які) та тугоплавкі (тверді). Легкоплавкі скла використовують для виготовлення колб та ніжок ламп розжарювання та колб газорозрядних ламп низького тиску. Тугоплавкі скла використовують переважно для виготовлення колб та ніжок ламп високого тиску.

Найбільш тугоплавким є прозоре кварцове скло, що складається із чистого кремнезему. Температура розм`якшення рівна приблизно 1600°С. Воно може працювати при 700 - 800°С на протязі тисяч годин. Маючи дуже низький температурний коефіцієнт лінійного розширення (5,4*10-7К-1), кварцове скло володіє високою термостійкістю. Воно має високі діелектричні якості, підвищену хімічну стійкість по відношенню до води, більшості кислот, парів ртуті; високу прозорість в ультрафіолетовій, видимій та інфрачервоній областях спектра. Кварцове скло використовують для виготовлення горілок (внутрішніх колб, в котрих здійснюється розряд) газорозрядних ламп високого тиску, колб імпульсних та трубчатих ксенонових ламп, галогенних ламп розжарювання та ін.

Недоліком всіх силікатних скел є їх слаба стійкість до розряду в парах лужних металів при підвищеній температурі.

При конструюванні та виробництві джерел світла використовують також ряд інших видів скел. Наприклад, неодимове, для колб бактерицидних ламп (λmax=254нм) та еритемних (λmax=297нм) використовують ультрафіолетові скла, для ізоляційних шарів цоколів застосовують спеціальне ізоляційне скло. Для виготовлення колб ламп часто використовують прозорі забарвлені скла, що  отримуються шляхом введення в шихту різних фарбуючих оксидів, широко застосовуються для виготовлення колб також непрозорі (опалові та молочні) скла, що містять фториди натрію та кальцію.

Люмінофори

Люмінофорами називають речовини, що здатні перетворювати поглинуту ними енергію в світло.

По хімічному складу люмінофори поділяють на неорганічні та органічні. Неорганічні люмінофори (кристалофосфори) застосовують в люмінесцентних лампах, електронно-променевих трубках, рентгенівських трубках, індикаторах радіації та ін. Їх свічення обумовлене присутністю різних домішок-активаторів. Органічні люмінофори (люмогени) використовуються для виготовлення яскравих флуоресцентних фарб та люмінесціюючих матеріалів, для проведення чутливого люмінесцентного аналізу в хімії, біології, медицині та ін.

За характером енергії, що поглинається (або за способом збудження) неорганічні люмінофори поділяються на ряд видів: фотолюмінофори (збуджуються ультрафіолетовим та видимим світлом), електролюмінофори (збуджуються електричним полем), радіолюмінофори (збуджуються випромінюванням радіоактивних препаратів), катодолюмінофори (збуджуються пучком електронів), рентгенолюмінофори (збуджуються рентгенівським випромінюванням) та ін. У виробництві джерел світла застосовують переважно фотолюмінофори, що збуджуються ультрафіолетовим випромінюванням, котрі прийнято називати ламповими люмінофорами.

До всіх лампових люмінофорів висувається ряд загальних вимог. Наприклад, люмінофор повинен мінімально відбивати падаюче на нього збуджуюче випромінювання та забезпечувати високу ефективність перетворення поглинутого випромінювання у видиме світло (тобто, забезпечувати високий квантовий вихід). Люмінофор, що знаходиться на колбі газорозрядної лампи, повинен бути прозорим для власного випромінювання та видимого випромінювання ртутного розряду. Сумарне випромінювання люмінофора та розряду повинно забезпечити необхідний від лампи спектр випромінювання. Люмінофор повинен бути достатньо стабільним по яскравості свічення в процесі експлуатації ламп. Це означає, що він повинен бути стійким проти шкідливого впливу парів ртуті та домішок газового середовища, короткохвильового випромінювання розряду, температури та інших факторів. Люмінофор повинен мати визначений гранулометричний склад, що забезпечить, з одного боку міцне закріплення його на колб, а з другого – мінімальне відбивання падаючого на нього збуджуючого випромінювання.

Для люмінесцентних ламп низького тиску зараз використовують переважно дві групи люмінофорів:

1) галофосфатні люмінофори на основі галофосфату кальцію, активованого сурмою з марганцем. Загальна хімічна формула цих люмінофорів – 3Ca3(PO4)2*Ca(F,Cl):Sb, Mn; їх випромінювання складається з двох смуг – сурм’яної з максимумом 480нм і марганцевої з максимумом 580нм. Галофосфатні люмінофори малочутливі до різноманітних домішок, володіють високою стабільністю в умовах ртутного розряду люмінесцентних ламп, практично не токсичні та мають порівняно низьку вартість;

2) ортофосфорні люмінофори, типовим представником яких є люмінофор Л-42ДН, що має формулу (Ca,Zn)3*(PO4)2:Sn і генерує три смуги випромінювання – 390, 500 та 610нм. Застосування ортофосфорних люмінофорів, що випромінюють в червоній області спектра більшу частину енергії в порівнянні з галофосфатними, дозволило покращити кольоропередачу люмінесцентних ламп. Ортофосфорний люмінофор Э-2, що має формулу (Ca, Mg)3*(PO4)2:Tl, застосовується для еритемних ламп, так як його максимум випромінювання (305нм) близький до максимуму еритемної чутливості шкіри людини (близько 300нм).

Для газорозрядних ртутних ламп високого тиску застосовують наступні основні люмінофори:

1) фторгерманат магнію, активований марганцем (Л-40), що мають формулу Mg4GeO5.5F:Mn та випромінюють п`ять вузьких смуг з максимумами в областях 626, 634, 643, 654 та 660нм;

2) ортофосфорні люмінофори, активовані оловом, що мають формулу (Sr,Mg)3*(PO4)2:Sn; (Sr,Zn)3*(PO4)2:Sn; (Ca,Mg)3*(PO4)2:Sn ці люмінофори забезпечують відносно високу світлову віддачу, але не забезпечують хорошу кольоропередачу;

3) ортованадати ітрію, активовані рідкоземельними елементами (європієм, тербієм, церієм, неодимом, самарієм та ін.).

В ряді випадків доцільним є застосування суміші із двох або декількох люмінофорів.

Гази та інші матеріали

Різні гази широко застосовуються в електроламповій промисловості. Їх можна умовно поділити на три основні групи:

1) гази-наповнювачі;

2) технологічні гази;

3) паливні гази.

Найбільше значення при конструюванні ламп мають гази-наповнювачі, так як від вибору складу та тиску наповнюючої суміші відповідним чином залежить якість джерела світла. Після введення у внутрішній простір лампи, гази-наповнювачі залишаються там на протязі всього часу її роботи, виконуючи роль частини конструкції лампи. До цих газів відносяться інертні гази – гелій, неон, аргон, криптон, ксенон а також азот та їх суміші.

Слід підкреслити, що не тільки інертні гази використовуються для наповнення ламп. Наприклад, лампи фотоспалахи наповнюються киснем. Встановлено, що наявність деякої кількості кисню в галогенній лампі розжарювання є необхідною умовою її нормальної роботи.

До технологічних відносять гази, що застосовуються для виконання багатьох технологічних процесів, не пов`язаних, як правило, з обробкою полум`ям. Наприклад, азот, а іноді також сухе повітря і аргон застосовують для промивки ламп перед наповненням. Азот – для створення захисту проти окислення середовища на деяких технологічних операціях. Водень використовується для створення як захисного, так і відновного середовища. Кисень підтримує та посилює полум`я газових горілок та використовується для створення окисного середовища. Сірчаний газ використовують для зміцнення скляних деталей ламп. За перерахованими признаками до технологічних газів відносять також ацетилен, бензол, вуглекислий газ та ін.

Під паливними розуміють горючі гази, за допомогою яких виконують численні операції в електроламповому виробництві, пов`язані з температурною полум`яною обробкою, наприклад варка скла, формування виробів із скла, заливання цоколів, збирання ніжок, заварювання ламп та ін. До паливних газів відносять водень, метан, пропан, бутан, повітряний та змішаний генераторні гази, водяний газ та ін.

Внутрішньолампове середовище – це не тільки інертні гази та їх суміші. У формуванні середовища, що знаходиться навколо тіла розжарювання лампи розжарювання, велику роль відіграють газопоглиначі матеріали (гетери), що не зворотно поглинають або зв`язують надлишкові або шкідливі пари та гази. До основних газопоглинаючих матеріалів відносять червоний фосфор, газову сажу, вуглекислий барій, металічний цирконій, титан, алюміній.

В основі роботи галогенних ламп розжарювання лежить протікаючий в них галогенно-вольфраовий цикл, що перешкоджає осадженню на колбі частин вольфраму, що випарувався з тіла розжарювання. Для цього в лампи вводять йод або хімічні сполуки інших галогенів, наприклад бромистий метил та бромистий метилен.

В колби люмінесцентних ламп низького тиску та горілки переважної більшості газорозрядних ламп високого тиску вводять дозовану кількість ртуті. Ртуть вводять або в рідкому стані, або у вигляді амальгам деяких металів. Пари ртуті – головний компонент середовища вказаних ламп; електричний розряд в насичених парах ртуті, відрізняється низьким потенціалом іонізації в порівнянні з інертними газами, - основа їх функціонування.

Основним матеріалом, що формує внутрішньолампове середовище високоефективних натрієвих ламп високого тиску, є натрій. В металогалогенних газорозрядних лампах високого тиску (типу ДРИ) застосовують йодиди натрію, талія, індію та їх суміші.

Деякі перераховані вище матеріали, що вводяться в лампу, відносяться до числа основних, так як разом з інертними газами забезпечують нормальне протікання головних фізичних процесів в лампах, гарантують отримання заданих параметрів ламп.

© Yukka. Уривок дипломної роботи.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *