ТЕРМОСТОЙКОЕ СОЕДИНЕНИЕ ОКНА С ОБОЛОЧКОЙ ПРИБОРА Российский патент 1999 года по МПК H01J5/18 H01J5/22 C03C27/02 

Предлагаемое изобретения относится к вакуумным и газоразрядным приборам с окнами, прозрачными в далекой УФ и ИК областях спектра, с коэффициентом термического расширения (КТР), намного отличающимся от КТР оболочки прибора.

Известно, что для соединения окон, например, из кристаллов фторида (CaF₂, BaF₂, LiF), КТР которых превышает КТР стекол платинитовой группы от двух до пяти раз, применяются различные конструкции соединяющих узлов с использованием в качестве герметизирующего уплотнителя хлористого серебра [1] . Эти соединения герметичны до температур 350 - 400^oC. К недостаткам такого соединения относится светочувствительность хлористого серебра. Во время работы источников и приемников излучения хлористое серебро под действием света разлагается и освободившийся хлор вызывает эрозию (разрушение) элементов внутри прибора, а само уплотнение становится негерметичным.

В другом соединении [2] оправа из тонкого серебра имеет острую кромку, сжимающую окно из кристалла фторида по его боковой стороне. При нагреве соединения токами высокой частоты кромка врезается в тело окна, частично его разрушает и образующиеся обвалившиеся частицы материала окна плавятся и рекристаллизуются после остывания. В результате кромка серебрянной оправы оказывается герметично замурованной в теле окна. В этой конструкции не применяется хлористое серебро, и ее термостойкость ограничивается лишь температурой плавления самой стеклянной колбы. Однако недостатком такого соединения является малый выход годных узлов и их ненадежность в эксплуатации, так как частично разрушенное окно не всегда сохраняет свою целостность.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является соединение [3], в котором окно из кристалла фторида присоединено к стеклянной колбе через припоечное стекло и тонкостенную серебрянную оправу. При этом окно присоединено к слою припоечного стекла непосредственно своей плоскостью по всему периметру. В этом соединении различие в КТР кристаллического окна и стеклянной колбы компенсируется только за счет пластичности тонкой серебрянной оправы. В такой конструкции КТР припоечного стекла, не являющегося эластичным материалом, может отличаться от КТР окна не более, чем на 10 единиц в соответствии с требованиями, предъявляемыми в электронной технике к согласованным спаям. В табл. 1 для примера даны термомеханические характеристики некоторых оптических материалов, применяемых для окон электровакуумных и газоразрядных приборов и предназначенных для далекой УФ и ИК областей спектров. Для окон из фторидов кальция и бария могут быть использованы стеклоэмали, близкие по КТР, например, к серебру или меди, КТР которых приведены в табл. 2. Видно, что КТР этих металлов отличается от КТР фторидов кальция и бария более, чем на 10 единиц. Поэтому их применение в соединении по патенту [2] в случае его эксплуатации при высоких температурах неизбежно приведет к растрескиванию окон и нарушению герметичности прибора. Для фтористого лития и целого ряда ИК материалов, в том числе приведенных в табл. 1, создание такого легкоплавкого стекла является фактически невыполнимой задачей, поскольку необходимые для увеличения КТР стекла щелочные добавки приводят к расщелачиванию стекла и его растрескиванию.

Задачей данного изобретения является повышение надежности и тремостойкости при термоцикличных условиях работы электровакуумных и газоразрядных приборов для далекой УФ и ИК области спектра с окнами, намного отличающимися по КТР от материалов оболочки приборов.

Технический результат, определяемый указанной задачей, достигается тем, что снаружи на тонкостенной металлической манжете через уплотнитель установлен компенсатор, охватывающий окно, вставленное также через уплотнитель внутрь манжеты, причем внутренняя поверхность компенсатора повторяет контур боковой поверхности манжеты и окна, а сам компенсатор выполнен из того же материала, что и окно, или из материала с меньшим коэффициентом термического расширения, по сравнению с материалом окна.

Сущность изобретения представлена на чертеже, на котором показаны три из возможных вариантов выполнения заявляемого изобретения. На фиг. "а", "б", "в" представлено соединение окна 1 с тонкостенной манжетой 2 через термостойкий герметизирующий уплотнитель 3. Снаружи на металлической манжете 2 установлен через термостойкий уплотнитель 4 компенсатор 5 охватывающий окно 1. Внутренняя поверхность компенсатора 5 во всех варианта "а", "б", "в" повторяет контур боковой поверхности манжеты 5 и окна 1.

Суть предлагаемого изобретения состоит в следующем. Для крайних областей УФ и ИК спектров могут быть использованы, например, окна из материалов, чьи спектральные и термомеханические характеристики приведены в табл. 1.

Для металлической манжеты могут быть использованы любые дуктильные материалы, например платина, серебро, золото, медь. В качестве герметизирующего уплотнителя могут быть применены различные стеклоэмали, использующиеся для эмалирования этих металлов.

Газоразрядные и электровакуумные приборы для далекой УФ и ИК области спектра должны по условиям изготовления и эксплуатации выдерживать периодические термические нагрузки довысоких температур при сохранении целостности и герметичности.

В условиях периодических термоциклов устройство работает следующим образом.

При подъеме температуры, например, во время изготовления соединения для плавления стеклоэмали, играющей роль герметизирующего уплотнителя, тонкостенная металлическая манжета расширяется вместе с окном и охватывающим его компенсатором, изготовленным из того же материала, что и окно. Так как КТР материалов окон, указанных в табл. 1, намного превышают КТР используемых для манжеты металлов, приведенных в табл. 2, то растяжение манжеты по диаметру из-за расширения окна при нагреве до температуры пайки стеклоэмали 400-550^oC будет превышать собственное расширение данного металла, определяемое его КТР. Однако наличие внешнего компенсатора сдерживает это увеличение. Далее при снижении температуры до комнатной металл манжеты следует за уменьшением размеров компенсатора, который обеспечивает восстановление манжеты до начальных размеров. По окончании рассмотренного термоцикла в направлении, перпендикулярном к плоскости окна, остаются внутренние напряжения сжимающего характера, определяемые видом стеклоэмали, что в соответствии с теорией и практикой изготовления стеклянных изделий обеспечивает их герметичность при эксплуатации. Таким образом, собственный КТР металла манжеты в заявляемой конструкции не имеет значения. Ее присоединение к стеклянному, керамическому или металлическому корпусу прибора осуществляется по уже известным способам и конструкциям.

Описываемое соединение сохраняет также герметичность в процессе неоднократного нагрева и остывания изделия при эксплуатации прибора во время различных термоциклов вплоть до температур, определяемых термостойкостью используемого уплотнителя, так как при этом в нем протекают процессы по той же схеме, которая была рассмотрена выше.

При выполнении компенсатора из материала с меньшим КТР, по сравнению с материалом окна, устройство работает таким образом с той лишь разницей, что после остывания в направлении, перпендикулярном плоскости окна, остаются внутренние напряжения сжимающего характера из-за меньшего КТР как стеклоэмали, так и материала компенсатора.

Преимуществом заявляемого соединения является то обстоятельство, что на базе его конструкции могут герметично уплотняться самые различные окна из материалов с КТР, более чем в два раза превосходящим КТР материалов, применяемых для оболочек приборов. В соединении не имеет места какое-либо разрушение окна или разгерметизация из-за применения светочувствительных уплотнителей. Соединение построено на применении термостойких материалов, что обеспечивает высокую герметичность изделия при высоких температурах, определяемых температурой плавления уплотнителя и может быть использовано в режиме работы при многократной термоцикличности. На базе такого соединения могут быть созданы новые надежные и долговечные электровакуумные и газоразрядные приборы для далеких УФ и ИК областей спектра.

Источники информации
1. Приборы для научных исслед., 1965, N 10, с. 43; 1971, N 12, с. 138.

2. Патент Франции N 1602170, 1970.

3. Патент США N 3424568, 1969.

Назначение: производство электровакуумных приборов. Сущность изобретения: Термостойкое соединение содержит тонкостенную металлическую манжету, выполненную из дуктильного металла, внутрь которой через герметизирующий уплотнитель вставлено окно, коэффициент термического расширения (КТР) которого значительно отличается от КТР металла манжеты и материала оболочки прибора. Снаружи на манжете через уплотнитель установлен компенсатор, охватывающий окно, выполненный из того же материала, что и окно, или из материала с меньшим КТР по сравнению с окном. Внутренняя поверхность компенсатора повторяет контур боковой поверхности манжеты и окна. Предлагаемое соединение может работать в термоцикличных условиях при нагреве до высоких температур. 1 ил., 2 табл.

Термостойкое соединение оболочки прибора с окном через тонкостенную металлическую манжету и герметизирующий уплотнитель, отличающееся тем, что снаружи на манжете через уплотнитель установлен компенсатор, охватывающий окно, вставленное также через уплотнитель внутрь манжеты, причем внутренняя поверхность компенсатора повторяет контур боковой поверхности манжеты и окна, а сам компенсатор выполнен из того же материала, что и окно, или из материала с меньшим коэффициентом термического расширения, по сравнению с материалом окна.