12 декември 2019
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Как се вакуумират електронни лампи (видео)

След монтажа е необходимо лампата да премине през още процедури

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 09 юли 2016 в 14:0068190

За електронните лампи е характерно, че всички процеси в тях стават в силно разредено пространство (висок вакуум). Порядъкът на вакуума достига до 10-7, дори до 10-8 mm ж. ст., тоест около 10 милиарда пъти по-малко от атмосферното налягане (760 mm  ж. ст.). Високият вакуум е нужен по следните причини.

Ако силно нагретият проводник, който служи за създаване на електронна емисия, се постави при обикновени атмосферни условия, ще се окисли бързо и разруши. При лош вакуум електроните се блъскат при движението си към анода във въздушните молекули и ги йонизират, като губят скоростта си. Газови йони и електрони се движат хаотично и направляваното движение на електроните става невъзможно.

В началото са дадени общи сведения за използваните при производството на елетронни лампи ваккумни помпи, а след това е разгледано вакуумирането и последващите технологични процеси. Както е известно, за златни години на електронноламповата промишленост се cмятат 40-те и 50-те години на ХХ век, затова и текстът отразява преди всичко тогавашните технологични процеси (освен в случаите, когато е посочено друго).

Помпи за предварителен и краен вакуум

Получаването на висок вакуум в електронните лампи става с помощта на специални вакуумни помпи. Нужното ниво обаче не може да се постигне с една помпа и затова се получава на два етапа. Първата (предвакуумната) помпа изчерпва въздуха обикновено до 10-1 mm  ж. ст. Тази максимално възможна стойност се ограничава от механичното уплътняване на конструкцията на помпите. Ето защо се налага да се употребят още помпи, които изчерпват въздуха до нужния вакуум.
В слаботоковото производство вакуумпомпите са познати и от процеси като метализация под вакуум, катодно разпрашване и др.


Стара вакуумна помпа на Parag Engineering

Помпи за предварителен вакуум (форвакуум). За тази цел в производството са използвани изключително маслените ротационни помпи. Принципната им схема е дадена на фиг. 1. Помпата представлява голям метален цилиндър 7, в който се върти ексцентрично роторът 2, като опира постоянно в горната стена на цилиндъра. Напречно на ротора има отвор, в който прилягат плътно две лопатки (3 и 4), постоянно притиснати до цилиндъра от пружината 5. Цилиндърът има два отвора (6 и 7).

Отворът 6 е свързан с ламповия балон, който ще изпомпваме, а отворът 7 — с външната атмосфера или с предходната помпа. Пространството 8 се пълни (заcмуква) с разреден газ, идващ през отвора 6, като се увеличава непрекъснато за cmетка на пространството 10. Пространството 10 се намалява и газът в него се свива. Когато лопатката 4 премине отвора 7, газът от пространството 10 се изхвърля през отвора 7, който е снабден с клапан (вентил). Пространството 10 служи за пренасяне на въздуха от 8 до 9. След това, както е показано с пунктир, лопатките се завъртват до ново положение, като пространството 8 се е увеличило, 10 е по-малко от него, а 9 липсва въобще до момента, когато горната лопатка задмине отвора 6 и пак се създаде изходно положение.



Уплътнението между цилиндъра, от една страна, и лопатките и ротора, от друга, се постига чрез масло. Дори и без клапан от отвора 6 винаги се вcmуква въздух, защото този отвор е постоянно изолиран от отвора 7, но атмосферният въздух ще влиза през 7 в 9. При следващото движение на ротора и лопатките въздухът ще се изтласка, но помпата загрява и работата се затруднява. Това става, защото лопатката се наляга непрекъснато от външния въздух, докато при наличие на клапан въздушното налягане се увеличава постепенно до изхвърлянето на сгъстения въздух.

Помпи за краен вакуум. Това са дифузно-кондензационни помпи. Те дават много висок вакуум и действат на принципа на инжектора. Живачни или маслени пари излизат в струя (фиг. 2) от тръбичката 1 и увличат със себе си въздушните молекули. Инжекторът (тръбичката) трябва да е заострен и тръбата 2 плътно да го обгръща. Такава помпа винаги се комплектува с помпа за предварителен вакуум.



При дифузно-кондензационните живачни помпи газът се абсорбира от живачните капки, които се образуват от парите при охлаждането им. Охлажда се със студена вода, която тече в долния край на тръбата. Живачните капки с въздушните молекули по тях се стичат в камера. Там се съединяват в по-големи капки, които отдават абсорбирания газ, и около устието на инжектора се създава почти безвъздушно пространство. При лабораторната стъклена дифузна помпа (фиг. 3 А) в колбата 1 има живак, който се загрява с електрически нагревател. Живачните пари минават по тръбата 2 и се впръскват през отвора 3 в съда 4, охлаждан от серпантина 5. През тръбите 6 и 7 тече студена вода. Изчерпваният въздух идва по тръбата 8 на съда 4, който през тръбата 9 е свързан с помпата за предварителния вакуум. Кондензираните живачни капки се стичат обратно в съда 1 с живак. Стените на съда 4 са обвити с азбест, за да не кондензират живачните пари по тях.

При диаметър на инжектора 10 mm и вътрешен диаметър 5 mm капацитетът на изчерпване е 2000—3000 cm/сек. Поради неудобствата, че тръбата 2 трябва да е висока и охладеният живак попада направо върху горещия живак, конструирани са подобрени помпи (фиг. 3 Б), които при добър предварителен вакуум дават вакуум до 10-7 mm  ж. ст. При тях степента на разреждане не зависи от степента на предварителния вакуум, а само от газа, който се отделя от стените (стъклото) на изчерпваната лампа. Нужният предварителен вакуум зависи от ширината на инжектора и на пространството между инжектора и съда. Ако стесним инжектора и съда, такава помпа работи с предварителен вакуум 2 mm ж. ст. Живакът не трябва да се загрява много силно, защото почва да кипи и може да разбие стъклената част на апаратурата.



Почивка? В този видеоклип (след 11:09) можете да видите как познатият ни Клод Паяр (Claude Paillard) изпомпва въздуха от радиолампи в домашни условия:

Дифузните живачни помпи изcмукват газовете от лампата с изключение на живачните пàри. Затова към помпите има специален уловител на живачни пари (фиг. 4), който е свързан последователно към високовакуумната част и на дъното му има силно охлаждащо вещество (течен въздух).




За да се избегне употребата на вредния за здравето живак и използването на охлаждаща cmес, правят се и маслени дифузнокондензационни помпи – при тях живакът е заместен от рафинирано под вакуум машинно масло. В края на 1950-те г. се използват октанови масла (висши въглеводороди), напр. маслото "октейл". За работата на дифузните маслени помпи е нужен много добър предварителен вакуум. Затова обикновено се скачват последователно две помпи за такъв вакуум. Температурата на маслото се поддържа постоянна. 

За получаване на по-висок вакуум се свързват последователно 2—3 помпи. Много често две помпи се свързват в общ кожух, като роторите им са на обща ос с един електродвигател. Чрез последователно включване на много ротационни помпи се достига вакуум от 10-3—10-4 mm ж. ст. Ограниченията се дължат на уплътненията, конструкцията на лопатките и другите части, както и на маслото. Точката на изпарение на маслото не позволява получаването на по-висок вакуум. То трябва да е чисто (прецедено), достатъчно вискозно, почти нехигроскопично, без клеообразуващи вещества, които задръстват помпата, и лопатките се трошат. Използват се "вакуумни масла" от типа МК. Маслото се прецежда и изварява периодично, за да се отстрани влагата. Помпата се чисти от клей, като се пуска първо да работи 0,5—1 час с нафта. Клапанът се чисти особено внимателно.

От използваните видове помпи остана бегло да споменем и фабрично-маслените ротационни помпи. При тях тялото на цилиндъра е изцяло потопено в машинно масло. Така се отстранява проникването на въздуха през недостатъчно уплътнените места. Клапанът тук има вид на пластинка и е под маслото. Тя е положена върху друга надупчена пластинка, през която газът минава и я повдига. Пластинката се движи нагоре-надолу и помпата издава характерен шум. При много газ пластинката почти не пада и звукът е мек. Щом налягането спадне, пластинката пада често и се чува силен и остър звук. Когато помпата се спре, без да е пуснат въздухът в лампата, последната заcmуква масло. За предпазване от това се използва колба с две гърла, която се свързва с отвора 6 и лампата. Ако тя вcmукне масло, то пада в колбата, а въздухът продължава да се вcmуква.

Измерване на вакуума. То става чрез специални манометри. Най-простият манометър е О-образна тръба, затворена в единия край и изпълнена с живак (фиг. 5 А). Двете рамена на коляното имат еднакъв диаметър. Живакът се загрява и въздухът се изтегля с помпа. Тръбата се накланя под вакуум и живакът навлиза в запушеното рамо. Налягането се мери в mm от разликата на двата стълба. Тези манометри измерват до 1 mm ж. ст. Най-разпространени са манометрите на Мак-Лиъд (Herbert McLeod (1841–1923) - фиг. 5 Б. Разликата между нивата на живака в раменете 4 и 6 дава големината на налягането. За целта има скала за налягането в mm ж. ст. Важно е да се отбележи, че при наличие на водни пари манометърът не дава точни показания.


За по-високи вакууми се използват по-сложни манометри (йонизационни, радиометрични, топлопроводни на Пирани, с термоелементи и др.). Със съществуващите манометри практически се мери вакуум до 10-6 — 10-9 mm ж. ст.


Индукционна вакуумна пещ в Bell Laboratories, 1949

Изпомпване и обезгазяване

В промишлени условия обаче това се провежда на пълни автомати, които представляват хоризонтално въртящи се устройства (каруселни маси) с 16—40 и повече работни места (позиции). На всяко работно място се поставя последователно по една лампа, която преминава през необходимите процеси на обработка, за да излезе накрая в готов вид. Фиг. 7 представя такава въртяща се маса в режим на работа.

Поредицата технологични процеси съдържа следните основни операции: изпомпване на въздуха от лампата, почистване на балона от водни пари и въздух; очистване (обезгазяване) на метални и изолационни части; изпомпване на газовете, отделени при формиране на катода.

Изпомпване на въздуха. В началните позиции (фиг. 6) от каруселната маса лампата се изпомпва до остатъчно налягане най-малко 10-6 mm ж. ст, за да се осигури дълготрайност от 1000—2000 часа на катода и постоянна емисия. Изпомпването става с маслена ротационна помпа 3, задействана от двигателя 2. Тя дава предварителен вакуум до 10—1 mm ж. ст. След това чрез крана 4 се превключва тристепенната дифузно кондензационна помпа 5 през крана 6 към хладилника 7 за "вилицата" 8, върху която са закрепени лампите. Към всяка позиция е свързана отделна дифузна помпа, а всички те — към общата маслена ротационна помпа 3. Помпите не спират работа при свалянето на готовите лампи и слагането на нови. Вакуумът се измерва непрекъснато на манометъра 9 (подобен манометър е даден на заглавната илюстрация). Промъкналите се към лампите живачни пари се охлаждат в хладилника 7 чрез течен въздух при —180° С. При употреба на маслени дифузно-кондензационни помпи хладилното устройство отпада. Всичките апарати са вградени в общия кожух 1 на каруселната маса. Поглед на каруселна маса по време на работа е даден на фиг. 7.

При изпомпване налягането в лампата спада за 10—60 сек. на 10-1 mm ж. ст, а за 3—10 мин. — на 10-5—10—6 mm ж. ст. Такъв автомат дава производство между 1000 и 1500 лампи в час.

Обезгазяване на стъклото. В самото стъкло на балона и дъното има голямо количество газове, като най-трудно се отделят водните пари. За обезгазяване стъклото се нагрява до 400° С за 5—15 мин.Температурата се поддържа постоянна чрез терморегулатор. По-големите по обем лампи отделят значително количество водни пари (например лампата ЕСН 11 отделя 300—500 mm3), докато при миниатюрни и субминиатюрни лампи то е сравнително много малко. Загряването става с електропещ 10 (фиг. 6), която се прикрепва над масата и се изтегля нагоре, когато не действа.

В края на 1950-те г. обаче поради неудобството при работа започва замяната на тази пещ с тунелна.

Обезгазяване на метални и изолационни части. Погълнатите газове от металните части (анод, решетки, държачи) и изолационните скрепители (слюда, керамика) също трябва да се отстранят. Най-мъчно се отделят абсорбираните от повърхността газове, защото колкото тя е по-грапава (аноди, керамика), толкова по-трудно става отстраняването на газовете. За целта електродите и металните части се загряват с вихрови токове от високочестотни бобини до 800—1000° С, като се внимава да не се деформират. При метални лампи нагряване на електродите не може да се осъществи чрез високочестотни токове, а се провежда чрез бомбардиране с електрони. За целта електродите се свързват към положително напрежение, през тях протича силен ток, и те се нажежават, като освобождават газовете. Най-много газове съдържа желязото, а най-малко — никелът и медта. От металните части на ЕСН 11 се отделят 100 mm3 газове при нормално налягане. Енергията за високочестотно нагряване се получава от високочестотни лампови генератори с честота 200—500 kHz, като разсейваната мощ на анода е около 1,5 kW.

Изпомпване газовете от формиране на катода. Най-голямо количество газове се отделят в лампата при оформянето на катода. За ЕСН 4 то е 1500 mm3, за EL84 — 2300 mm3, а за ЕАВС80 — 1800 mm3. Отделянето става при загряване на катода и при преминаването на емисионния слой от бариев карбонат (ВаСO3) в бариев окис (ВаО).

Разлагането на емитиращата маса става чрез загряване за 20—50 сек. при 1080—1230° С. За по-големи лампи загряването трае по-дълго време (за ЕСН 11 то е 1—5 мин. при налягане 10-1—10-3 mm ж. ст).

Завършването на разлагането се познава по това, че налягането спада рязко, защото престава да се отделя въглероден диоксид (СO2). С разлагането на бариевия (или стронциевия) карбонат катодът получава първоначална емисия. В този момент нормалното натоварване на катода е 8 W/cm2. Към края на обезгазяването натоварването на катода се намалява на 4 W/cm2. Електродната система се нагрява още веднаж чрез високочестотни токове, за да се отделят погълнатите при формоването на катода газове.

Газовото съдържание на електронните лампи е сравнително малко по обем спрямо въздуха в балона. Така, ако количеството газове в стъклото, електродната система и при формиране на катода е общо няколко хиляди cm3, за обикновени електронни лампи (напр. ЕСН 4 или EL3) въздухът е около 100000 cm3 при нормално налягане (760 mm ж. ст). Същото съотношение почти се запазва и при миниатюрни и субминиатюрни лампи, но количествата са многократно по-малки.
Скоростта на изпомпване при налягания под 10-2 mm ж. ст се определя преди всичко от диаметъра на стъклената тръбичка за изпомпване в стъкленото дъно на лампите. При диаметър на тръбичката 2 mm и дължина 70 mm газовете се изпомпват с около 70—80 mm/сек.

Така за постигане на вакуум от около 10-6 mm ж. ст. ще са нужни няколко часа. Затова тези тръбички се правят възможно по-широки и къси, а висок вакуум се постига много бързо чрез употреба на гетери.

Измерване на готовите лампи

Всички електронни лампи се измерват и изпробват след изработването им. Измерванията биват типови и статистични. Типови измервания (контрол) се провеждат на всички лампи, като обикновено се измерват отопление и емисия. Статистични измервания се правят на определен процент електронни лампи от всяка серия, като се измерват всички показатели. Тези измервания се правят периодично и според получените данни се съди за качествата на лампите и се взимат мерки за отстраняване на евентулни дефекти и за подобряване на качествата.


Фиг. 8. Производствено измерване на електронни лампи в САЩ, 1942

Когато производството е добре усвоено, правилно организирано и има значителен технологичен опит, достатъчни са измервания на изолацията между отделните електроди и на шума чрез почукване. При последното измерване се определят колебанията на анодния ток при тежки механични условия и величината на отрицателния решетъчен ток, който показва качеството на вакуума (газово съдържание). Мерят се и поне три точки на анодната лампова характеристика: аноден ток Ia при Up=0, Ia в работната точка и токът на насищане при по-високо напрежение на управляващата решетка.

Статистически измервания се правят за определяне дълготрайността на лампите. За да имаме точна представа за нея, би трябвало лампите да се подложат на работно напрежение за 3000 часа (около 4 месеца). На практика измерването се извършва при 200—1000 часа, за да има достатъчно време да се вземат мерки за отстраняване на евентуални дефекти.
Напреженията на измерване са по-високи или по-ниски от номиналните според характера на измерването. От средата на 1950-те г. съществуват пълни автомати за измерване на електронни лампи. Лампите при тях минават през приспособления, които им подават различни напрежения. Когато получените от някоя лампа данни не отговарят на изискванията, релейната система я отделя автоматично. Преминалите пробата лампи автоматично се пакетират и падат в бункер до машината.

Антон Оруш, Sandacite.bg


Източници:

History of leading vacuum pump manufacturer - http://www.paragengineering.com/history.html
Inductively heated vacuum furnace. In: Bell Laboratories Record, vol. XXVII, № 7, july 1949 - http://vintagewindings.com/tech swag/Record 7-49 wp.pdf
Sonotone History - http://www.roger-russell.com/sonopg/sononst.htm
Власов, В. Електровакуумни прибори. София. Наука и изкуство, 1955.
Илиев, М., А. Петров. Слаботокова електротехнология. София. Техника, 1960.


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Разни
01 декември 2019 в 15:000
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.