СПОСОБ ВВЕДЕНИЯ РТУТИ В ЭЛЕКТРОННУЮ ЛАМПУ Российский патент 2006 года по МПК H01J61/00 

Изобретение относится к способам введения ртути в электронные лампы, преимущественно касается способов введения дозированного количества ртути в электронные лампы, в частности в неоновые трубки, с использованием стеклянных капсул с жидкой ртутью, размещенных в металлическом контейнере.

Как известно, ртуть необходима при изготовлении практически всех газоразрядных электронных ламп, например ртутных выпрямителей, лазеров, а также флуоресцентных ламп. Флуоресцентные лампы изготавливают в виде стеклянных трубок, на внутреннюю поверхность которых нанесены флуоресцентные материалы. Трубки заполняют инертным газом, например аргоном или неоном, а также минимальным количеством паров ртути. Ртуть является основным компонентом, обеспечивающим функционирование таких ламп. Однако высокая токсичность ртути создает серьезные проблемы экологического характера как при производстве таких ламп, так и при демонтаже устройств, содержащих ртуть, после окончания срока службы или в случае их повреждения.

Ежегодно увеличивающиеся объемы производства, а также неуклонный рост ассортимента ламп, выпускаемых, например, для такой отрасли, как неоновая индустрия, потребовали введения ограничений по применению ртути и установления минимально допустимого количества, совместимого с требованием функционирования таких ламп. В настоящее время во многих странах готовится законодательная база по введению международных норм по применению ртути, устанавливающих минимально допустимые дозы ртути для каждого выпускаемого изделия.

Ранее достаточно распространенным являлось введение ртути через штенгель в рабочую зону лампы. Однако открытое применение жидкой ртути влечет за собой ряд проблем. Во-первых, неизбежны сложности, связанные с хранением и транспортировкой жидкой ртути из-за высокого давления ее паров при комнатной температуре. Во-вторых, главным недостатком введения жидкой ртути до вакуумной обработки лампы (трубки) является попадание ртути в оборудование в процессе откачки и, как следствие, выброс паров в окружающую среду. В-третьих, при введении жидкой ртути практически невозможно выдержать ее точную дозировку. Обычно в лампу подают значительно большее количество ртути по сравнению с расчетными данными. Последнее обусловлено тем, что содержащаяся в лампе ртуть в жидком виде из-за косвенного нагрева подвергается поверхностному окислению и вступает в соединение с материалами, из которых изготовлен электрод, и практически может быть использовано только около 40% от общего объема введенной в лампу ртути. Другими словами, помимо экологических проблем, такой способ приводит к избыточному расходу ртути и не позволяет обеспечить точное и воспроизводимое дозирование.

Для преодоления вышеуказанных недостатков в известном уровне техники предлагались альтернативные технологии, основанные, например, на использовании запаянных капсул, содержащих определенное количество жидкой ртути.

Такие капсулы, имеющие преимущественно цилиндрическую форму, устанавливали в рабочем объеме лампы и после этого производили процесс откачки с последующим освобождением ртути во внутренний объем лампы за счет, например, термического воздействия.

Так, в патенте US 4182971 предложено использование стеклянных капсул, содержащих ртуть и закрепленных на вспомогательном электроде внутри рабочей зоны лампы. Высокочастотным воздействием нагревали капсулу, вызывая растрескивание стекла, обеспечивающее освобождение ртути. Подобная технология из-за длительности нагревательного воздействия приводит к окислению ртути и, как следствие, к избыточности ее расхода. Кроме того, для осуществления такого известного способа требуются специальные электроды достаточно сложной конструкции.

В патенте US 4335326 с целью предотвращения от возможного полного разрушения капсулы и попадания осколков во внутренний объем лампы предлагается размещать капсулу в защитном экране внутри лампы, изготовленном из стекла или металла. Понятно, что установка таких капсул достаточно сложная и при эксплуатации не исключается повреждение внутренней конструкции лампы.

В основу изобретения поставлена задача создать такой способ введения ртути во внутренний объем электронной лампы, в котором благодаря по существу мгновенному формированию направленного потока паров ртути, создаваемого вне рабочей зоны лампы, удалось бы исключить загрязнение ртути и обеспечить, в результате, точное дозирование и возможность введения расчетных минимальных количеств ртути. Кроме того, предлагаемый способ не требует применения специальных электродов и может, при необходимости, быть использован в любом массовом производстве серийно выпускаемой продукции, что, в особенности, перспективно при решении экологических проблем и проблем обеспечения точного дозирования при производстве флуоресцентных ламп, в особенности неоновых трубок.

Поставленная задача решена тем, что в способе введения ртути во внутренний объем электронных ламп с использованием стеклянных капсул с жидкой ртутью, размещенных в металлическом контейнере, один из торцов которого имеет по меньшей мере одно отверстие с диаметром, намного меньшим диаметра стеклянной капсулы, согласно изобретению, до вакуумной обработки внутреннего объема электронной лампы по меньшей мере одну из указанных стеклянных капсул устанавливают в штенгеле открытого электрода так, что отверстие металлического контейнера обращено в сторону рабочей зоны лампы. После вакуумной обработки и заполнения внутреннего объема инертным газом отделяют участок штенгеля с находящейся в нем капсулой от откачного устройства и осуществляют локальное воздействие на этот участок мощным электромагнитным излучением. Такое воздействие вызывает по существу мгновенный разогрев металлического контейнера, приводящий к разрушению стеклянной капсулы и интенсивному испарению жидкой ртути, в результате чего образуется направленный поток чистых паров ртути, который через отверстие в металлическом контейнере быстро заполняет внутренний объем лампы. Предлагаемый способ завершают отделением оставшегося участка штенгеля с металлическим контейнером от электронной лампы, в результате чего загрязненный парами ртути металлический контейнер оказывается герметически заключенным в стеклянную оболочку.

Такое выполнение способа позволяет создать источник паров ртути вне рабочей зоны лампы и обеспечить практически мгновенное попадание в рабочую зону чистых паров ртути вместо использования длительного по времени нагрева ртути и получения частично окисленных паров ртути за счет подачи больших токов на электроды лампы, что приводит, в результате, к необходимости введения избыточного количества ртути. Заявляемый способ является экологически чистым, поскольку даже после завершения процесса введения ртути металлический контейнер, загрязненный парами ртути, вместе с остатками разрушенной стеклянной капсулы находится в герметичном состоянии. Это делает безопасным хранение отходов ртути и их транспортировку, например, к месту их последующей демеркуризации. Кроме того, из-за того, что внутрь трубки подается не жидкая ртуть, а ее пары, существенным образом уменьшается время тренировки электронных ламп. Способ согласно изобретению не требует создания специальных дополнительных электродов и может найти широкое применение в массовом производстве ламп, использующих стандартные электроды, в частности в производстве неоновых трубок.

Согласно изобретению предпочтительным становится использование капсул с жидкой ртутью в количестве от порядка 2,5 мг до порядка 35 мг и последующее контролируемое введение таких доз, например, в стандартные флуоресцентные лампы. Нижний предел выбранного диапазона ограничен технологическими возможностями изготовления таких капсул, а применение капсул с содержимым ртути свыше 35 мг требует увеличения длины штенгеля, что безусловно нецелесообразно.

Целесообразно также использовать вакуумный метод при заполнении стеклянных капсул ртутью, позволяющий осуществить полное заполнение жидкой ртутью внутреннего объема капсулы и исключить возможность окисления ртути внутри капсулы, а также избежать нежелательных последствий при попадании воздуха в рабочую зону лампы.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления способа целесообразным является обеспечение локального электромагнитного излучения с помощью устройства высокочастотного индукционного нагрева мощностью от порядка 500 Вт до порядка 1 кВт. Выбранный диапазон мощности позволяет достичь требуемого уровня электромагнитного излучения в течение минимального времени, например 1-5 с, и не наносит вреда обслуживающему персоналу.

В соответствии с еще одним из аспектов данного изобретения наиболее эффективно может быть решена поставленная задача при введении дозированного количества ртути во внутренний объем неоновых трубок в соответствии с предлагаемым способом. Предлагаемый способ в этом варианте воплощения позволяет обеспечить экологически чистый способ введения ртути в неоновые трубки различной конфигурации при строго дозированном количестве вводимой ртути. За счет того, что в рабочий объем неоновых трубок ртуть вводится в виде чистых паров, уменьшается возможность повреждения и почернения флуоресцентного слоя и, соответственно, возрастает долговечность таких трубок.

Далее сущность изобретения описана более подробно с учетом конкретных Примеров осуществления способа согласно изобретению со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 представляет фрагмент электронной лампы со стороны открытого электрода с введенной в штенгель контейнера стеклянной капсулой с жидкой ртутью, размещенной в контейнере, до момента вакуумной обработки внутреннего объема этой лампы согласно изобретению;

Фиг.2 - стеклянная ампула с жидкой ртутью, размещенная в металлическом контейнере, в увеличенном виде;

Фиг 3. - фрагмент электронной лампы со стороны отрытого электрода после отделения участка штенгеля с находящейся в нем стеклянной ампулой с жидкой ртутью, размещенной в металлическом контейнере, от откачного устройства и введения этого участка в индуктор устройства высокочастотного индукционного нагрева согласно изобретению.

Как показано на фиг.1, до вакуумной обработки внутреннего объема электронной лампы 1 запаянную стеклянную капсулу 2 с жидкой ртутью 3, размещенную в металлическом контейнере 4, устанавливают в штенгеле 5 преимущественно на его концевом участка, примыкающем к открытому электроду 6.

В качестве электронной лампы может быть использовано любое электронное устройство, в котором свечение обеспечивается за счет прохождения электрического тока через разреженный газ (явление газового разряда).

Металлический контейнер 4 (Фиг.2) выполнен по существу в виде тонкостенного цилиндра, окружающего стеклянную капсулу. Такой контейнер может быть изготовлен из материала, удовлетворяющего требованиям вакуумной гигиены, в частности из листового или трубчатого никеля. Контейнер 4 (Фиг.2) имеет один закрытый торец 7 и открытый торец 8, имеющий по меньшей мере одно отверстие 9, диаметр которого намного меньше диаметра стеклянной капсулы 2. Диаметр отверстия 9 выбирают таким образом, чтобы осколки стекла после разрушения капсулы 2 не попадали во внутренний объем лампы 1. Вакуумная обработка включает откачку, осуществляемую откачным устройством 10 (Фиг.1). Согласно изобретению, контейнер 4 с капсулой 2 устанавливают в штенгеле 5 открытого электрода так, что отверстие 9 обращено в сторону рабочей зоны лампы 1. Штенгель 5 затем припаивают к откачному посту устройства 10. После вакуумной обработки лампы, включающей, помимо откачки, промывку смесью газов, обезгаживание стекла и активизацию электродов, предусматривающей, например, прогрев до 800-900°С токами до 500 мА, и последующего наполнения внутреннего объема инертным газом, например аргоном или смесью газов, участок штенгеля 5 с находящейся в нем капсулой 2 отделяют от устройства 10. Затем этот участок штенгеля 5 подвергают воздействию мощного электромагнитного излучения, вызывающего по существу мгновенный разогрев металлического контейнера 4 и разрушение (взрыв) стеклянной капсулы. Ртуть, попадая на стенки контейнера 4 (металлического цилиндра), практически мгновенно испаряется, создавая при этом достаточно большое давление паров, в результате чего образуется направленный поток чистых (неокисленных) паров ртути, который через отверстие 9 заполняет внутренний объем лампы 1. Локальный нагрев металлического контейнера 4 может быть обеспечен лазерным, СВЧ-генератором, ВЧ-генератором и т.п.

Однако предпочтительным является использование высокочастотного индукционного нагрева, являющегося достаточно простым, надежно контролируемым и безопасным средством локального нагрева. Для этого участок штенгеля 5 с расположенной в нем капсулой 2 вводят в индуктор 11 (фиг.3) устройства высокочастотного индукционного нагрева (не показано). При высокочастотном индукционном нагреве металлических цилиндрических тел индуцируемые в этих телах вихревые токи, создающие собственные магнитные поля, взаимодействуя как друг с другом, так и с исходным полем, приводят металлический контейнер 4 практически к мгновенному нагреву. Так, время нагрева тонкостенного металлического контейнера 4 может составить всего лишь 1-5 с. В оптимальном варианте осуществления целесообразно использовать устройство высокочастотного индукционного нагрева мощностью от порядка 500 Вт до порядка 1 кВт. Именно такой диапазон позволяет, во-первых, обеспечить быстрое достижение температур металлического контейнера порядка 900-1100°С, при которых стеклянная капсула мгновенно разрушается и создается направленный поток чистых паров ртути, заполняющий внутренний объем лампы 1. Более длительное воздействие или использование более высоких мощностей приведет к нежелательному нагреву и повреждению штенгеля.

После произведенных операций оставшийся участок штенгеля 5 с металлическим контейнером 4, загрязненным парами ртути, отпаивают от лампы и этот участок оказывается герметически изолированным в стеклянной оболочке.

Весьма перспективным использованием патентуемого способа является производство неоновых трубок самых различных конфигураций. Способ согласно изобретению позволяет создать экологически чистое производство и осуществить точное дозирование вводимой ртути без избыточного принципа, что в конечном итоге приводит к существенной экономии и уменьшению общего расхода ртути (приблизительно в 10-15 раз для неоновой продукции). Достигается увеличение срока службы таких трубок. Предлагаемая технология не требует разработок и установок специальных электродов в таких трубках.

Ниже приводятся конкретные Примеры осуществления, иллюстрирующие патентуемое изобретение.

Как известно, количество вводимой ртути может быть рассчитано для каждого конкретного объема изготавливаемого изделия. Например, при изготовлении неоновой трубки ее внутренний объем V рассчитывают по формуле:

где h - длина трубки, d - внутренний диаметр трубки.

Расчетное количество ртути для конкретного объема может быть представлено в виде одной или нескольких доз, запаянных в одной или нескольких капсулах. Как уже указывалось выше, для целей осуществления данного способа предпочтительным является использование стеклянных капсул, дозы жидкой ртути в которых составляют от порядка 2,5 мг до порядка 35 мг. Понятно, что для обеспечения возможности варьирования диапазоном вводимых доз в одном или нескольких металлических контейнерах может быть установлено одна или несколько стеклянных капсул, общее содержимое ртути в которых должно соответствовать расчетному значению.

Пример 1.

Ртуть вводили в неоновую трубку диаметром 10 мм и длиной 1,2 м. Использовали одну стеклянную ампулу диаметром 0,8 мм, содержимое ртути в которой составляло 12-15 мг. Капсулу помещали в контейнер длиной 22 мм, изготовленный из никелевой трубки диаметром 1,25 мм с толщиной стенок 0,05 мм. С одного торца контейнер имел отверстие диаметром порядка 0,6 мм. Контейнер в штенгеле устанавливали так, чтобы отверстие находилось практически у самого входа в рабочую зону трубки. После вакуумной обработки штенгель с контейнером отпаивали от откачного устройства и вводили этот участок в индуктор ВЧ-генератора с рабочей частотой 1,67 МГц и мощностью 900 Вт. Время воздействия составило 3 с.

Затем оставшийся участок штенгеля с контейнером, загрязненным парами ртути, отделяли от трубки. Отделенный участок штенгеля складировали для дальнейшей демеркуризации.

Пример 2.

Ртуть вводили в неоновую трубку сложной конфигурации общим объемом, равным 200 см³. В штенгеле вблизи входа в рабочую зону трубки устанавливали два никелевых контейнера, в одном из которых находилось две стеклянные капсулы с содержимым ртути по 15 мг в каждой, а в другом - одна стеклянная капсула с содержимым ртути, равным 15 мг.

Технология введения ртути аналогична описанной в Примере 2, за исключением того, что мощность ВЧ-генератора была равной 1 кВт, а время воздействия составило 5 с.

Пример 3.

Ртуть вводили в колбы газоразрядного индикатора тлеющего разряда диаметром 6 мм и длиной 18±2 мм.

В массовом производстве таких индикаторов в автоматизированном режиме в штенгеле каждой колбы устанавливали никелевые контейнеры со стеклянной капсулой с содержимым ртути, равным 2,5 мг, и подключали систему вакуумной обработки.

Время воздействия ВЧ-генератора мощностью, равной 500 Вт, составляло 2-3 с.

Изобретение относится к производству газоразрядных электронных ламп, в особенности неоновых трубок. Техническим результатом является обеспечение точного дозирования и введения расчетных минимальных количеств ртути. Технический результат достигается за счет того, что до вакуумной обработки внутреннего объема электронной лампы, по меньшей мере, одну из стеклянных капсул устанавливают в штенгеле вблизи открытого электрода так, что отверстие металлического контейнера обращено в сторону рабочей зоны лампы. После вакуумной обработки и заполнения внутреннего объема инертным газом отделяют участок штенгеля с находящейся в нем капсулой, размещенной в металлическом контейнере, от откачного устройства и осуществляют локальное воздействие на этот участок мощным электромагнитным излучением, вызывающим мгновенный разогрев металлического контейнера, приводящий к разрушению стеклянной капсулы и интенсивному испарению жидкой ртути, в результате чего образуется направленный поток чистых паров ртути, который через отверстие в металлическом контейнере быстро заполняет внутренний объем лампы. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ введения ртути во внутренний объем электронных ламп с использованием стеклянных капсул с жидкой ртутью, размещенных в металлическом контейнере, один из торцов которого имеет, по меньшей мере, одно отверстие с диаметром, намного меньшим диаметра стеклянной капсулы, отличающийся тем, что до вакуумной обработки по меньшей мере одну из указанных стеклянных капсул устанавливают в штенгеле электронной лампы вблизи открытого электрода так, что отверстие металлического контейнера обращено в сторону рабочей зоны лампы, а после вакуумной обработки и заполнения внутреннего объема инертным газом отделяют участок штенгеля с находящейся в нем капсулой от откачного устройства и осуществляют локальное воздействие на этот участок мощным электромагнитным излучением, вызывающим по существу мгновенный разогрев металлического контейнера, приводящий к разрушению стеклянной капсулы и интенсивному испарению жидкой ртути, в результате чего образуется направленный поток чистых паров ртути, который через отверстие в металлическом контейнере быстро заполняет внутренний объем лампы, и завершают процесс введения отделением оставшегося участка штенгеля с металлическим контейнером от электронной лампы.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержимое ртути в стеклянной капсуле составляет от порядка 2,5 мг до порядка 35 мг.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что ртуть в стеклянную капсулу заполняют вакуумным методом.4. Способ по п.1 отличающийся тем, что локальное электромагнитное излучение обеспечивают устройством высокочастотного индукционного нагрева мощностью от порядка 500 Вт до порядка 1 кВт.5. Способ введения ртути во внутренний объем неоновых трубок с использованием стеклянных капсул с жидкой ртутью, размещенных в металлическом контейнере, один из торцов которого имеет, по меньшей мере одно отверстие с диаметром, намного меньшим диаметра стеклянной капсулы, отличающийся тем, что до вакуумной обработки внутреннего объема неоновой трубки по меньшей мере одну из указанных стеклянных капсул с содержимым ртути от порядка 2,5 мг до порядка 35 мг устанавливают в штенгеле неоновой трубки вблизи открытого электрода так, что отверстие металлического контейнера обращено в сторону рабочей зоны неоновой трубки, а после вакуумной обработки и заполнения трубок инертным газом отделяют участок штенгеля с находящейся в нем капсулой от откачного устройства, помещают этот участок в индуктор устройства высокочастотного индукционного нагрева и осуществляют кратковременное индукционное воздействие мощностью от порядка 500 Вт до порядка 1 кВт, вызывающее по существу мгновенный нагрев металлического контейнера, приводящий к разрушению стеклянной капсулы и интенсивному испарению находящейся в ней жидкой ртути, в результате чего образуется направленный поток чистых паров ртути, которые через отверстие в металлическом контейнере быстро заполняют внутренний объем трубки, и завершают процесс введения ртути отделением оставшегося участка штенгеля с металлическим контейнером от неоновой трубки.