Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №1

Материалы для внутриламповой арматуры

Материалы для внутриламповой арматуры должны удовлетворять многим общим и специальным условиям, главные из которых — специальные свойства, лёгкость обезгаживания, лёгкая обрабатываемость, достаточная термостойкость, внешний вид и слабое распыление в разряде. Если прибор имеет ртутное наполнение, то не следует применять металлы, которые легко взаимодействуют с ней.

К ртути абсолютно инертны: тугоплавкие металлы, железо и его сплавы, никель, титан и цирконий. Данные по стойкости металлов к ртути есть в последнем, шестом томе «Руководства по неорганическому синтезу» под редакцией Г.Брауэра, раздел «амальгамы».

По литературным данным, как геттер в ртутных приборах может применятся магний. Алюминия, меди и её сплавов следует избегать. Медная оболочка платинита в приборах с парами ртути устойчива.

Наиболее подходящим материалом для катодов ламп с тлеющим разрядом следует считать мягкую нержавеющую сталь, тонкую трансформаторную сталь, мягкое железо, никель, титан, пермаллой. Следует обратить внимание на максимальную чистоту этих материалов по углероду. Материалы для сердечников трансформаторов тщательно очищаются от углерода, так как он ухудшает магнитные свойства.

Дело в том, что при работе газоразрядного прибора тлеющий разряд нагревает и распыляет катод. Углерод при этом за счёт диффузии уходит к поверхности и при катодном распылении попадает в объём прибора. Там он с неизбежно присутствующими парами воды и водородом образует окись углерода и метан, которые при содержании даже в ничтожном количестве — сотые и тысячные доли процента, могут значительно ухудшить параметры прибора и вывести его из строя. Не распыляемым титановым геттером они поглощаются слабо.

Пермаллой, мягкая нержавейка и никель углерода содержат очень мало, легко сгибаются и относительно стойки к катодному распылению. Титан, если из него сделать катод, легко насыщается водородом, который может выделять обратно в объём прибора. Поэтому, при недостаточно чистых условиях работы, когда в прибор при откачке и отпайке попадает много грязи, титана следует избегать как катодного материала, а делать из него анод и другие слабо греющиеся электроды. Их можно затем, при тренировке прибора, использовать для очистки газа от молекулярных примесей. Если же есть возможность прогреть титановый катод в хорошо обезгаженом и откачиваемом до 10^{– 4-6} мм рт. ст. приборе с помощью токов высокой частоты, то эти возражения снимаются. В этих условиях в приборе остаётся мало адсорбированной на стенках воды, а водород из титана выделяется и откачивается насосом.

Медь для катодов не применима, в силу того, что легко распыляется в разряде, а алюминий, кроме того, нельзя как следует прогреть и он плохо сваривается контактной сваркой со вводами. Из него удобно делать радиаторы для охлаждения полых катодов.

Подводя итог, можно сказать, что идеальным материалом для катодов газоразрядных приборов (кроме, разумеется, ЛПК) можно считать пермаллой, мягкую трансформаторную сталь и даже жесть консервной банки, протравленную в крепком растворе едкого натра для удаления олова, а затем отожжённую во влажном водороде при 1000°в течении часа. Этот последний материал, по крайней мере, не является дефицитом. Для разборных приборов, например, демонстрационных вакуумных трубок, можно использовать «грязные» материалы, так как примеси откачиваются при работе прибора.

Хорошие катоды для дугового разряда в инертных газах и парах ртути можно сделать из танталовой трубки диаметром 1–2 мм и длинной 5 мм (рис. 9). Трубку можно свернуть из листа толщиной 0,2 мм. Её следует набить с помощью прутка заранее приготовленным цирконатом бария 2ВаО•ZrО₂, замешанным на очень слабом растворе жидкого стекла. После активирования прогревом с помощью разряда с такого катода можно получить токи 0,1–2,0 А и больше. Эти катоды прекрасно работают на переменном токе. Признаком правильного выбора диаметра трубки служит спокойное горение разряда и разогрев всей торцевой поверхности катода.

Материалы для геттеров

При изготовлении приборов трудно удалить все газообразующие примеси из материалов внутренней арматуры и колбы. Для их удаления требуются такие приёмы, которые не могут быть осуществлены, например, переплавка готовой детали в вакууме. Поэтому, в колбу прибора помещают специальные детали, или покрытия, которые могут поглощать газы на последних стадиях технологической обработки и при работе готового прибора. На стенках колб приёмно-усилительных ламп каждый внимательный человек видел серебристо-тёмное зеркало. Это слой бария, единственная задача которого — поглощать выделяющиеся при работе лампы газы. Без этого зеркала лампу надо было бы откачивать на посту часами, а с ним откачку завершают за несколько минут. Для поглощения газов в осветительных лампах применяют фосфор, а в остальных случаях — различные металлы.

Геттирующие металлы должны отвечать нескольким критериям. Они должны реагировать со всеми молекулярными газами, которые могут при откачке попасть в прибор, либо выделяться из электродов или стекла. Продукты этих реакций не должны быть легколетучими даже при нагреве. Весьма желательно, чтобы реакции поглощения или адсорбция происходили при рабочих температурах прибора, а обратного выделения газов при этих температурах не было.

Этим требованиям более или менее отвечают многие металлы. Из них хорошо известен барий, который широко применяют в промышленных условиях при изготовлении радиоламп малой мощности. Как геттер используют также титан (особенно, в сверхвысоковакуумных насосах), цирконий, тантал, иногда магний, редкоземельные металлы. Часто применяют смеси веществ, выделяющие барий при нагреве.

Наиболее универсальным и удобным геттером в наших условиях следует считать титан. При катодном распылении он даёт на стеклянных стенках прибора тёмное зеркало. В момент образования оно поглощает все газы, которые «замуровываются» в плёнке намертво. При простом нагреве в вакууме титан начинает хорошо поглощать газы, начиная с семисот градусов. Кислород, азот, углерод и их соединения разлагающиеся горячим титаном, растворяются в нём. Этому способствует то, что титан, в отличие например от железа, способен образовывать со многими элементами фазы переменного состава.

Однако, азот даёт с титаном очень тугоплавкий нитрид золотистого цвета. Он растворяется в металле медленно и, к тому же, имеет малую работу выхода электронов. Поэтому наличие в приборе значительного количества азота затрудняет распыление титана и, соответственно, очистку газа.

Водород титаном тоже поглощается, но обратимо. Часть его поглощается напылённой плёнкой. Остаток водорода может быть поглощён распыляемым электродом после его охлаждения. То есть титан (и цирконий), а также тантал могут служить как распыляемым, так и не распыляемым геттером.

Следует отметить, что галогены не образуют с титаном, цирконием и танталом фаз переменного состава, как азот, кислород, водород, углерод, сера и т. д. Это приводит к тому, что откачка титановым насосом например, йода, очень затруднена, если вообще возможна. Летучий йодид титана конденсируется на холодных стенках колбы. Для поглощения галогенов выгоднее применять магний или даже медь.

При напылении в разряде на стенки прибора любого металла происходит поглощение даже инертных газов за счёт «вколачивания» в напыляемую плёнку его ионов, с последующим их замуровыванием. Этот процесс резко ускоряется при снижении давления. Поэтому лампы, в которых с необходимостью происходит катодное распыление, например, спектральные лампы с полым катодом (ЛПК) выходят из строя именно из-за поглощения наполняющего инертного газа в катоде.