Электрод газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения (варианты) Российский патент 2025 года по МПК H01J17/04 H01J61/30 

Область техники

Предложенная группа изобретений относится к конструкциям электродов газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения, в частности к конструкциям электродов источников света с лазерной накачкой и газоразрядных (ГР) ламп, работающих в импульсном режиме при постоянном или переменном токах, предназначенных для использования в измерительных приборах для контроля дефектов кристаллов полупроводников и проверки качества совмещения слоев полупроводников в микроэлектронике, в системах оптической накачки лазеров, светосигнальных устройствах, стробоскопах, установках ультрафиолетового (УФ) обеззараживания воздуха и поверхностей, прожекторах инфракрасной подсветки, спектрально-аналитических приборах и т.д.

Уровень техники

Из уровня техники известен электрод высокоинтенсивной газоразрядной лампы (SU 936089, опубл. 15.06.1982), содержащий цилиндрический стержень из вольфрама с присадкой не менее 5% активирующего вещества, плотно установленный вдоль осевого отверстия теплоотводящего цилиндра, выполненного из тугоплавкого неактивированного материала. Плотная установка стержня в теплоотводящем цилиндре осуществляется запрессовкой в осевое отверстие, заштамповкой в порошке материала теплоотводящего цилиндра с последующим спеканием конструкции в водороде.

Недостаток данной конструкции электрода ГР лампы состоит в ее низкой надежности, обусловленной разрушением электрода при рабочих температурах разряда. Цельнотельный цилиндрический стержень обеспечивает хороший теплосъем с его рабочей поверхности, контактирующей с плазмой, путем теплопроводности в сторону цилиндра. Снижение температуры рабочей поверхности электрода менее 2500°С способствует усилению эрозии его материала и, как следствие, распылению и осаждению его частиц на поверхность разрядной колбы, что снижает характеристики излучения ГР лампы. По мере истощения массы электрода температура цилиндра, в котором он закреплен, увеличивается и возрастает вероятность привязки разряда к отдельным участкам торцевой поверхности цилиндра, что приводит к разрушению электродного узла ГР лампы из-за возникшего градиента температур в зоне его герметизации с оболочкой.

Также известен электрод (RU 2158043, опубл. 20.10.2000), содержащий стержень из тугоплавкого металла с надетой на него спеченной активированной массой таким образом, что обеспечивается выступающая концевая часть стержня, обращенная в сторону противоположного электрода. Достоинством данной конструкции является наличие достаточно тонкого стержня, который затрудняет прохождение теплового потока в зону герметизации электродного узла с оболочкой лампы. Рассматриваемый электрод рассчитан на диапазон токов от 1,5 до 2,5 А, что при работе в составе высокоинтенсивного источника света, где средние значения токов достигают сотни ампер, приведет к интенсивной эрозии всей поверхности электрода и особенно его выступающей части стержня. Как и в первом случае, распыление электрода приведет к формированию на внутренней поверхности оболочки лампы слоя из частиц металла и, как следствие, к снижению характеристик излучения ламп и взрыву оболочки из-за перегрева ее стенки.

В качестве прототипа выбран электрод газоразрядной лампы высокого давления (SU 1359819 А1, опубл. 15.12.1987), содержащий цилиндрическую рабочую часть с закруглением на торце, выполненную из вольфрама с присадкой активирующего вещества, имеющего осевую полость, в которой установлен малым диаметром и соединен с рабочей частью высокотемпературным спеканием двухступенчатый цилиндрический держатель из тугоплавкого материала. Предложенная конструкция электрода за счет подбора соотношения площади наружной поверхности к площади внутренней полости, а также путем применения двухступенчатой конфигурации держателя за счет варьирования размеров рабочей части диаметра и длины части с малым диаметром позволяет добиться оптимальной температуры рабочей поверхности 2200-2400°С и температуры конца цилиндрического держателя вблизи зоны герметизации 1000-1200°С.

К основным недостаткам конструкции описанного электрода можно отнести его ступенчатую конструкцию (рабочая часть и два последовательных отрезка малого и большего диаметра), что приводит как изменению световых и электрических характеристик лампы, так и к ее разрушению. Согласно представленной конструкции за рабочей частью электрода образуется так называемый балластный (заэлектродный) более холодный объем, в который при высокотемпературном разряде уходит значительная часть рабочего газа.

Причем с увеличением размеров балластного объема концентрация атомов рабочего газа убывает по экспоненциальной зависимости, указанное явление приводит к следующим негативным последствиям:

- повышается температура плазмы, что способствует увеличению температуры внутренней поверхности оболочки и, как следствие, эрозии материала колбы, приводящее в зависимости от энергии разряда либо к снижению оптических характеристик оболочки (излучения лампы), либо к разрушению колбы из-за формирования в процессе деградации внутренних напряжений;

- повышается температура плазмы, что способствует увеличению температуры электродов и, как следствие, эрозии их материалов, приводящее к плотности напыленного на оболочке слоя вольфрама и активирующей присадки;

- возрастает электропроводность плазмы, что приводит к рассогласованию сопротивлений лампы и разрядного контура и, как следствие, падению общего КПД излучения.

Для устранения перечисленных недостатков в некоторых случаях используется наполнение разрядного объема избыточным давлением рабочего газа, но такое техническое решение приводит к другому недостатку - повышению напряжения зажигания лампы, что в большинстве случаев практической эксплуатации неприемлемо.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлена заявленная группа изобретений, состоит в повышении надежности и долговечности газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения (газоразрядной лампы) за счет устранения балластных объемов в заэлектродных областях разрядного объема, концентрации плазменного канала на оси межэлектродного промежутка и отсутствия возможности проникновения разряда в заэлектродные области.

Технический результат группы изобретений заключается в повышении срока службы и надежности газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения при использовании любого из вариантов электрода предложенной конструкции.

Под надежностью понимается сохранение способности газоразрядным источником широкодиапазонного оптического излучения выполнять требуемые функции (поддерживать световые и электрические параметры на уровне заводских характеристик в течение длительного времени) в заданных условиях применения.

Заявленный технический результат достигается каждым вариантом предложенного технического решения, которые охарактеризованы следующей совокупностью существенных признаков.

Электрод газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения по первому варианту, содержащий держатель (1) из тугоплавкого металла, на котором установлена рабочая часть (2) электрода, выполненная из спеченного вольфрама с присадкой активирующего вещества, причем держатель (1) выполнен в виде единой детали и содержит стержневую (1.1) и опорную (1.2) цилиндрические части, причем на стержневой части (1.1) установлены рабочая часть (2) электрода и трубчатая втулка (3) так, что трубчатая втулка (3) размещается между опорной цилиндрической частью (1.2) и рабочей частью (2) электрода, при этом трубчатая втулка (3) выполнена из высокотемпературного электроизоляционного материала и имеет наружный диаметр d_из, значение которого соответствует следующему условию:

,

где d_из - наружный (внешний) диаметр трубчатой втулки (изолятора), d_об - внутренний диаметр оболочки газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения, α_из - коэффициент температурного расширения материала трубчатой втулки (изолятора), α_об - коэффициент температурного расширения материала оболочки газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения, Т_эл - температура электрода.

Трубчатая втулка (3) выполняется из кварцевого стекла, высокотемпературной керамики или сапфира.

Рабочая часть (2) электрода содержит концевую область, которая выполнена в форме конуса, усеченного конуса, усеченного конуса, переходящего в сферическую поверхность, или в виде сферической поверхности.

Электрод газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения по второму варианту, содержащий держатель (1) из тугоплавкого металла, на котором установлена рабочая часть (2) электрода, выполненная из спеченного вольфрама с присадкой активирующего вещества, причем держатель (1) выполнен в виде цилиндрического стержня, на котором установлены рабочая часть (2) электрода, металлическая электропроводная втулка (4) из тугоплавкого металла и трубчатая втулка (3) так, что трубчатая втулка (3) размещается между металлической электропроводной втулкой (4) и рабочей частью (2) электрода, при этом трубчатая втулка (3) выполнена из высокотемпературного электроизоляционного материала и имеет наружный диаметр d_из, значение которого соответствует следующему условию:

,

где d_из - наружный (внешний) диаметр трубчатой втулки (изолятора), d_об - внутренний диаметр оболочки газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения, α_из - коэффициент температурного расширения материала трубчатой втулки (изолятора), α_об - коэффициент температурного расширения материала оболочки газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения, Т_эл - температура электрода.

Трубчатая втулка (3) выполняется из кварцевого стекла, высокотемпературной керамики или сапфира.

Металлическая электропроводная втулка (4) выполнена токарной обработкой и соединена с торцевой частью держателя (1) посредством электроннолучевой, лазерной или плазменно - дуговой сварки или пайки высокотемпературным припоем.

Рабочая часть (2) электрода содержит концевую область, которая выполнена в форме конуса, усеченного конуса, усеченного конуса, переходящего в сферическую поверхность, или в виде сферической поверхности.

Электрод газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения по третьему варианту, содержащий единую деталь (5) из тугоплавкого металла с присадкой активирующего вещества, которая включает рабочую часть (5.1) электрода и цилиндрический стержень (5.2), причем на цилиндрическом стержне (5.1) установлены металлическая электропроводная втулка (4) из тугоплавкого металла и трубчатая втулка (3) так, что трубчатая втулка (3) размещается между рабочей частью (5.1) электрода и металлической электропроводной втулкой (4), при этом трубчатая втулка (3) выполнена из высокотемпературного электроизоляционного материала и имеет наружный диаметр d_из, значение которого соответствует следующему условию:

,

где d_из - наружный (внешний) диаметр трубчатой втулки (изолятора), d_об - внутренний диаметр оболочки газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения, α_из - коэффициент температурного расширения материала трубчатой втулки (изолятора), α_об - коэффициент температурного расширения материала оболочки газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения, Т_эл - температура электрода.

Трубчатая втулка (3) выполняется из кварцевого стекла, высокотемпературной керамики или сапфира.

Металлическая электропроводная втулка (4) выполнена токарной обработкой и соединена с торцевой частью цилиндрического стержня (5.2) пайкой высокотемпературным припоем или сваркой.

Рабочая часть (5.1) электрода содержит концевую область, которая выполнена в форме конуса, усеченного конуса, усеченного конуса, переходящего в сферическую поверхность, или в виде сферической поверхности.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1. Конструкция электрода из уровня техники.

Фиг. 2. Конструкция электрода по первому варианту.

Фиг. 3. Конструкция электрода по второму варианту с указанием соединения втулки с торцевой частью металлического стержня.

Фиг. 4. Конструкция электрода по второму варианту с указанием соединения втулки с металлическим стержнем.

Фиг. 5. Конструкция электрода по третьему варианту.

Фиг. 6. Варианты (а)-(г) выполнения концевой области рабочей части электрода для первого и второго вариантов конструкции электрода.

Фиг. 7. Варианты (а)-(г) выполнения концевой области рабочей части электрода для третьего варианта конструкции электрода.

Фиг. 8. Примеры исполнения газоразрядных ламп с электродом заявленной конструкции (варианты).

Осуществление изобретения

Целью предложенной группы изобретений является создание электродов, которые обеспечивают повышение срока службы и надежности газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения.

Предложенная конструкция каждого из вариантов электрода позволяет известными способами разместить электрод внутри оболочки (6) газоразрядной лампы, тем самым исключить наличие балластного объема V_б (фиг. 1) и возможность проникновения разряда в заэлектродную область по мере истощения активной присадки в рабочей части электрода (2) на протяжении срока службы. В результате предложенного решения (см. фиг. 2-8) световые и электрические параметры сохраняются стабильными в течение срока службы, а отсутствие возможности проникновения разряда в заэлектродную область исключает разрушение лампы в зоне герметизации электродного узла.

Таким образом, любая из предложенных конструкций электрода обеспечивает высокую надежность газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения за счет применения в конструкции электрода трубчатого изолятора, размещенного между рабочей частью электрода и металлической втулкой (в случае применения конструкции по второму и третьему вариантам) или опорной цилиндрической частью (в случае применения конструкции по первому варианту) .

Группа изобретений поясняется с помощью фиг. 2-8.

Конструкция электрода по первому варианту представлена на фиг. 2.

Электрод по данному варианту содержит держатель (1) из тугоплавкого металла, на котором установлена рабочая часть (2) электрода, выполненная из спеченного вольфрама с присадкой активирующего вещества (активирующая присадка). Рабочая часть (2) электрода может быть выполнена в виде детали, содержащей цилиндрическую область, которая переходит в концевую область, имеющую форму конуса или усеченного конуса или усеченного конуса, переходящего в сферическую поверхность, или форму сферической поверхности (примеры исполнения приведены на фиг. 6 (а)-(г)).

Держатель (1) выполняется в виде единой детали и содержит две части: стержневую (1.1) и опорную (1.2) цилиндрическую. Стержневая часть (1.1) имеет меньший диаметр, чем опорная цилиндрическая часть (1.2). Стержневая часть (1.1) предназначается для установки на нее рабочей части (2) электрода и трубчатой втулки (3). Трубчатая втулка (3) размещается между опорной цилиндрической частью (1.2) и рабочей частью (2) электрода. Трубчатая втулка (3) выполняется из высокотемпературного электроизоляционного материала и имеет наружный диаметр, значение которого соответствует следующему условию:

,

где d_из - наружный (внешний) диаметр изолятора, d_об - внутренний диаметр оболочки газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения, α_из - коэффициент температурного расширения материала изолятора, α_об - коэффициент температурного расширения материала оболочки газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения, Т_эл - температура электрода.

Следует отметить, что выбор наружного диаметра изолятора определяется требованием, что при рабочей температуре электрода. В противном случае произойдет разрушение оболочки (6) лампы или трубчатой втулки (изолятора) (3). При выполнении данного условия повышается надежность газоразрядной лампы и срок ее службы.

Кроме того, следует учитывать, что параметрами, определяющими мощность излучения в оптическом диапазоне спектра (функциональное назначение газоразрядной лампы), является ток, проходящий через плазменный канал, и способность оболочки лампы пропускать излучение наружу без поглощения. Во-первых, ток зависит от давления рабочего газа, поэтому уменьшение балластного объема приводит к постоянству давления в разряде. Во-вторых, наличие изоляционной втулки препятствует возможности проникновения разряда за рабочую поверхность электрода (т.е. не происходит удлинение плазменного канала), что способствует поддержания тока постоянной величины. В-третьих, постоянство тока обеспечивает стабильность температуры рабочей поверхности электрода, что снижает эрозию электродного материала, как следствие, напыление его на внутреннюю поверхность оболочки, что, в свою очередь, не снижает прозрачность оболочки для выхода излучения. Таким образом, наличие трубчатой втулки (3) из высокотемпературного электроизоляционного материала в конструкции электрода позволяет сохранить начальные характеристики газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения длительное время и, соответственно, обеспечить повышение срока его службы и надежности.

Конструкция электрода газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения по второму варианту приведена на фиг. 3 и 4. Отличием данной конструкции от первого варианта исполнения электрода является то, что держатель (1) выполнен в виде цилиндрического стержня, на котором помимо рабочей части (2) электрода и трубчатой втулки (3) устанавливается металлическая электропроводная втулка (4). В остальном конструкция электрода не имеет принципиальных отличий. Совокупность признаков, характеризующая электрод по второму варианту также обеспечивает повышение срока службы и надежности газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения.

Рабочая часть (2) электрода по второму варианту может быть выполнена в виде детали, содержащей цилиндрическую область, которая переходит в концевую область, имеющую форму конуса или усеченного конуса или усеченного конуса, переходящего в сферическую поверхность, или форму сферической поверхности (примеры исполнения приведены на фиг. 6 (а)-(г)).

Конструкция электрода газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения по третьему варианту приведена на фиг. 5. Отличием данной конструкции от первого и второго вариантов исполнения электрода является то, что электрод содержит единую деталь (5) из тугоплавкого металла (например, тугоплавкого пруткового металла) с активирующими присадками, которая включает рабочую часть (5.1) электрода и цилиндрический стержень (5.2). Данное решение позволяет исключить применение рабочей поверхности из спеченного вольфрама на электрод, путем его выполнения токарной обработкой из пруткового вольфрама (или другого подходящего тугоплавкого металла), что важно для применения в лампах с большой плотностью тока, например, короткодуговых ламп сверхвысокого давления.

Так, известно [Кудинцева Г.А., Мельников А.И., Морозов А.В., Никонов Б.П. Термоэлектронные катоды. - М.: Энергия. - 1966. - 368 с.], что спеченный вольфрам представляет собой структуру из мелких частиц (30- 50 мкм) двух типов: самого вольфрама и активирующей присадки. В свою очередь, структура пруткового кованного вольфрама состоит из объемных кристаллов вольфрама, по границам которых расположены слои активирующей присадки [Амосов В.М., Карелин Б.А. Кубышкин В.В. Электродные материалы на основе тугоплавких металлов - М.: Металлургия, 1976. - 224 с.]. Очевидно, что чем больше масса тела, тем больше требуется теплоты для его нагревания (из определения теплоемкости), поэтому при одинаковой плотности тока температура мелких частичек спеченного вольфрама будет выше, чем у кристаллов пруткового вольфрама и, как следствие, распыление материала электрода в последнем случае будет меньше.

Рабочая часть (5.1) электрода по третьему варианту может быть выполнена в виде элемента, содержащего цилиндрическую область, которая переходит в концевую область, имеющую форму конуса или усеченного конуса или усеченного конуса, переходящего в сферическую поверхность или форму сферической поверхности (примеры исполнения приведены на фиг. 7 (а)-(г)).

В остальном конструкция электрода не имеет принципиальных отличий от второго варианта, где также применяется электропроводная втулка (4) из тугоплавкого металла. Совокупность признаков, характеризующая электрод по третьему варианту таже обеспечивает повышение срока службы и надежности газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения.

В качестве активирующей присадки для каждого из вариантов исполнения электрода могут быть применены:

- оксиды тория ThO₂, лантана La₂O₃, иттрия Y₂O₃, самария Sm₂O₃, лютеция Lu₂O₃, диспрозия Dy₂O₃, галия Ga₂O₃;

- Композитные материалы: Алюминаты (3BaO⋅Al₂O₃⋅0,5CaO, 2,5BaO⋅Al₂O₃⋅0.5CaO, 3BaO⋅Al₂O₃⋅CaO), Вольфрамат бария (Ba₃WO₆), Алюмосиликаты (Бария-кальция: 3BaO⋅Al₂O₃⋅CaO⋅0,5SiO₂, Цезия: Cs₂O⋅Al₂O₃⋅2SiO₂), Скандаты бария 3BaO⋅2Sc₂O₃, Ba₂Sc₄O₉.

В качестве тугоплавкого металла для каждого из вариантов исполнения электрода может быть применен молибден, вольфрам и др.

В качестве примера ниже приведены значения диаметров трубчатой втулки (3) при определенных значениях параметров приведенного выше соотношения.

Так, из приведенной формулы понятно, что в случае материала оболочки (кварц, сапфир, прозрачная керамика) и изолятора, изготовленного из такого же материала будет наблюдаться равенство d_из =d_об.

,

Для материалов оболочки и изолятора, выполненных из разных материалов, пример расчета приведен ниже.

Так, для серийно выпускаемых ламп (ФК 22/150 (фиг. 7), ДКсТВ 6000, ДКсТВ 15000, ИФП 80, ИФП 1000, ИСП 2000, ИСПТ 6000), в которых в качестве материала оболочки применяется труба из кварцевого стекла (α= 4,26⋅10^-7 1/°С [О.К. Ботвинкин, А.И. Запорожский. Кварцевое стекло. - М.: Стройиздат, 1965. - 259 с.]) с внутренним диаметром 7 мм. Для расчета используем изолятор, выполненный из сапфира (α= 9⋅10^-6 1/°С [Добровинская Е.Р., Литвинов Л.А., Пищик В.В. Энциклопедия сапфира - Харьков: Институт монокристаллов, 2004. - 508 с.]). Из приведенных данных по коэффициенту линейных тепловых расширений (КЛТР) видно, что разность КЛТР составляет около 8,58⋅10^-6 1/°С, что в случае отсутствия зазора при работе лампы может привести к разрушению оболочки лампы. Согласно литературным данным [Гужков В.В., А.М. Зимин, О.Д. Одинцов, Хвесюк В.И. Энергетический баланс и температурные режимы электродов импульсных источников света // Электронная техника. Сер. 4. Электровакуумные и газоразрядные приборы. - 1982. - вып. 5, С. 49-52] температура электрода в зоне изолятора составляет от 1000°С до 1500°С. Расчет выполняем для минимальной температуры 1000°С (минимальный зазор).

Стоит дополнительно отметить, что принцип работы электродов газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения (в частности, газоразрядной лампы) характерен для всех газоразрядных ламп, имеющих два электрода анод и катод, конструкция которых в большинстве случаев идентична. Для предварительной ионизации разрядного промежутка к отрицательному электроду прикладывают высоковольтное напряжение от трансформатора зажигания. В результате происходит эмиссия электронов с поверхности катода и осуществляется образование слаботочного канала между катодом и анодом. После чего на электроды подают напряжение от силового импульсного источника электрического питания. Энергия, поступающая в разряд, обеспечивает повышение температуры плазмы до уровня, который определяется конструктивным исполнением газоразрядной лампы и режимами ее электрического питания, и сформированный термическими процессами плазменный канал генерирует импульс оптического излучения. В результате указанных процессов происходит расширение рабочего газа и значительная его часть уходит в заэлектродную область, что способствует уменьшению сопротивления разрядного промежутка, и как следствие, возрастанию токовой нагрузки на электрод и усилению распыления материала электрода на внутреннюю поверхность оболочки газоразрядной лампы. По истечении определенного времени работы лампы за счет распыления электрода происходит обеднение рабочей поверхности активирующей присадкой и разряд распространяется в заэлектродную область, минуя рабочую часть электрода, разогревает держатель электрода локально и происходит разрушение оболочки лампы.

Применение в конструкции каждого из предложенных вариантов электрода трубчатой втулки (изолятора) (3), размещаемой непосредственно за рабочей частью (2) электрода, а также учитывая при этом необходимое значение диаметра этой втулки по отношению к внутреннему диаметру оболочки (6), исключаются негативные факторы, влияющие на работу источника широкодиапазонного оптического излучения.

Кроме того, в вариантах исполнения электрода, где применяется металлическая втулка (4) из тугоплавкого металла, дополнительно исключается возникновение пробоя ввиду того, что работа выхода электронов у втулки (4) значительно выше, чем у рабочей поверхности электрода с активирующими присадками.

Таким образом, повышение надежности конструкции и срока службы газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения удается достичь благодаря возможности заполнения заэлектродного объема высокотемпературным электроизоляционным материалом, применением соответствующего допуска по диаметру трубчатой втулки, а также электропроводной металлической втулки (варианты второй и третий).

Ниже приведены примеры изготовления каждого из вариантов конструкции электрода.

Пример изготовления электрода по первому варианту.

Изготовление электрода ГР лампы со спеченной рабочей частью (2) электрода и цельнотельным держателем (фиг. 2) осуществляется в следующей последовательности.

1.1. Производится изготовление совмещенной втулки с цилиндрическим держателем (1) из тугоплавкого металла (используются металлы W, Mo или другие тугоплавкие металлы) токарной обработкой, выполняется технохимическая обработка и высокотемпературный отжиг при температуре 1700°С.

1.2. Производится резка сапфировой трубки (или трубки из кварцевого стекла или высокотемпературной керамики) для получения трубчатой втулки (3), выполняется технохимическая обработка и высокотемпературный отжиг при температуре 1000°С в течение 30 мин.

1.3. Производится изготовление рабочей части электрода (2) прессованием шихты на основе порошка вольфрама и активирующей присадки с приданием рабочей части электрода (2) формы, согласно фиг. 6, а-г.

В качестве активирующей присадки, как ранее было указано, применялись по отдельности следующие:

- оксиды тория ThO₂, лантана La₂O₃, иттрия Y₂O₃, самария Sm₂O₃, лютеция Lu₂O₃, диспрозия Dy₂O₃, галия Ga₂O₃;

- Композитные материалы: Алюминаты (3BaO⋅Al₂O₃⋅0,5CaO, 2,5BaO⋅Al₂O₃⋅0.5CaO, 3BaO⋅Al₂O₃⋅CaO), Вольфрамат бария (Ba₃WO₆), Алюмосиликаты (Бария-кальция: 3BaO⋅Al₂O₃⋅CaO⋅0,5SiO₂, Цезия: Cs₂O⋅Al₂O₃⋅2SiO₂), Скандаты бария 3BaO⋅2Sc₂O₃, Ba₂Sc₄O₉.

1.4. На держатель (1), а именно на его стержневую часть (1.1) по п. 1.1. последовательно одевается трубчатая втулка (сапфировый/кварцевый/керамический изолятор) (3) и рабочая часть электрода (2).

1.5. Сборка размещается вертикально и осуществляется последовательное спекание в водороде при 1400°С, а затем в вакууме при 2100°С.

Пример изготовления электрода по второму варианту.

Изготовление электрода по второму варианту (по фиг. 3) осуществляется в следующей последовательности.

2.1. Производится изготовление цилиндрического держателя (1) (цилиндрического стержня) из тугоплавкого металла (используются металлы W, Mo или другие тугоплавкие металлы) токарной обработкой, выполняется технохимическая обработка и высокотемпературный отжиг при температуре 1700°С.

2.2. Производится резка сапфировой трубки (или трубки из кварцевого стекла или высокотемпературной керамики) для получения трубчатой втулки (3), выполняется технохимическая обработка и высокотемпературный отжиг при температуре 1000°С в течение 30 мин.

2.3. Производится изготовление рабочей части (2) электрода прессованием шихты на основе порошка вольфрама и активирующей присадки с приданием рабочей части электрода формы, согласно фиг. 6, а-г.

В качестве активирующей присадки, как ранее было указано, применялись по отдельности следующие:

- оксиды тория ThO₂, лантана La₂O₃, иттрия Y₂O₃, самария Sm₂O₃, лютеция Lu₂O₃, диспрозия Dy₂O₃, галия Ga₂O₃;

- Композитные материалы: Алюминаты (3BaO⋅Al₂O₃⋅0,5CaO, 2,5BaO⋅Al₂O₃⋅0.5CaO, 3BaO⋅Al₂O₃⋅CaO), Вольфрамат бария (Ba₃WO₆), Алюмосиликаты (Бария-кальция: 3BaO⋅Al₂O₃⋅CaO⋅0,5SiO₂, Цезия: Cs₂O⋅Al₂O₃⋅2SiO₂), Скандаты бария 3BaO⋅2Sc₂O₃, Ba₂Sc₄O₉.

2.4. Производится изготовление металлической электропроводной втулки (4) прессованием шихты на основе порошка вольфрама (W) без активирующей присадки.

2.5. На держатель (1) последовательно одевается рабочая часть электрода (2), трубчатая втулка (сапфировый/кварцевый/керамический изолятор) (3) и прессованная металлическая втулка (4).

2.6. Сборка размещается вертикально и осуществляется последовательное спекание в водороде при 1400°С, а затем в вакууме при 2100°С.

Пример изготовления электрода по второму варианту со стадией сварки/пайки.

3.1. Производится изготовление токарной обработкой из вольфрама держателя (1) и втулки (4) из тугоплавкого металла (Мо, Ti), выполняется технохимическая обработка и высокотемпературный отжиг при температуре 1700°С.

3.2. Производится изготовление рабочей части электрода (2) прессованием шихты на основе порошка вольфрама и активирующей присадки с приданием рабочей части электрода формы, согласно фиг. 6, а-г.

В качестве активирующей присадки применяются указанные ранее (см. пример для изготовления электрода по первому и второму вариантам).

3.3. Устанавливается рабочая часть электрода (2) на держатель (1), сборка размещается вертикально и осуществляется последовательное спекание в водороде при 1400°С, а затем в вакууме при 2100°С.

3.4. Производится резка керамической (сапфировой, кварцевой) трубки для получения втулки (3), выполняется технохимическая обработка и высокотемпературный отжиг при температуре 1000°С в течение 30 мин.

3.5. На сборку по п.3.3. последовательно одевается втулка (3) и электропроводная металлическая втулка (4), которая посредством лазерной, электронно-лучевой или микроплазменной сварки соединяются с держателем (1) по торцевой части втулки (4). На фиг. 3 место сварки/пайки показано позицией (7).

Пример изготовления электрода по второму варианту со стадией сварки/пайки (приведен на фиг. 4).

4.1. Производится изготовление из тугоплавкого металла (используются металлы W, Mo или другие тугоплавкие металлы) стержня держателя (1) и металлической втулки (4) токарной обработкой, выполняется технохимическая обработка и высокотемпературный отжиг при температуре 1700°С.

4.2. Производится изготовление рабочей части электрода (2) прессованием шихты на основе порошка вольфрама и активирующей присадки с приданием рабочей части электрода формы, согласно фиг. 6, а-г.

В качестве активирующей присадки применяются указанные ранее (см. пример для изготовления электрода по первому и второму вариантам).

4.3. Устанавливается рабочая часть электрода (2) на держатель (1), сборка размещается вертикально и осуществляется последовательное спекание в водороде при 1400°С, а затем в вакууме при 2100°С.

4.4. Производится резка керамической (сапфировой, кварцевой) трубки для получения трубчатой втулки (3), выполняется технохимическая обработка и высокотемпературный отжиг при температуре 1000°С в течение 30 мин.

4.5. На сборку по п. 4.3. последовательно устанавливается трубчатая втулка (3), припой (8), поверх которого устанавливается металлическая электропроводная втулка (4).

4.6. Сборка по п.4.5 помещается в вакуумную печь и производится пайка при температуре на 25-50°С выше температуры плавления припоя (для меди температура пайки 1105°С, никеля 1490°С, титана 1750°С и т.д.).

Пример изготовления электрода по третьему варианту (приведен на фиг. 5) производится в следующей последовательности.

5.1. Производится изготовление токарной обработкой из тугоплавкого металла (например, вольфрамового прутка (ВТ-15, ВТ-50, ВЛ-20 и т.д.) или другого тугоплавкого металла) с активирующими присадками детали (5) с рабочей частью (5.1) электрода и цилиндрическим стержнем (5.2). Рабочей части (5.1) электрода придается форма, согласно фиг. 7, а)-г). Изготавливается втулка (4) из тугоплавкого металла (например: молибдена (Мо) или титана (Ti)), выполняется технохимическая обработка и высокотемпературный отжиг при температуре 1700°С.

В качестве активирующей присадки применяются указанные ранее (см. пример для изготовления электрода по первому и второму вариантам).

5.2. Производится резка керамической (сапфировой, кварцевой) трубки для получения трубчатой втулки (3), выполняется технохимическая обработка и высокотемпературный отжиг при температуре 1000°С в течение 30 мин.

5.3. На цилиндрический стержень (5.2) последовательно устанавливается керамический (сапфировый, кварцевый) изолятор - трубчатая втулка (3) и металлическая втулка (4), которые фиксируются сваркой или пайкой аналогично п.3.5 и п.4.6.

Предлагаемая конструкция вариантов электрода в соответствии с заявляемым решением разработана для серийного производства с использованием типовых технологий и стандартного оборудования и испытана в составе газоразрядных ламп (фиг. 8).

Изобретение относится к конструкциям электродов газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения. Технический результат - повышение срока службы и надежности газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения. Электрод по первому варианту содержит держатель из тугоплавкого металла, на котором установлена рабочая часть электрода, выполненная из спеченного вольфрама с присадкой активирующего вещества. Держатель выполнен в виде единой детали и содержит стержневую и опорную цилиндрические части. На стержневой части установлены рабочая часть электрода и трубчатая втулка так, что трубчатая втулка размещается между опорной цилиндрической частью и рабочей частью электрода. Электрод по второму варианту содержит держатель из тугоплавкого металла, на котором установлена рабочая часть электрода, выполненная из спеченного вольфрама с присадкой активирующего вещества. Держатель выполнен в виде цилиндрического стержня, на котором установлены рабочая часть электрода, металлическая электропроводная втулка из тугоплавкого металла и трубчатая втулка так, что трубчатая втулка размещается между металлической электропроводной втулкой и рабочей частью электрода. Электрод по третьему варианту содержит единую деталь из тугоплавкого металла с присадкой активирующего вещества, которая включает рабочую часть электрода и цилиндрический стержень. На цилиндрическом стержне установлены металлическая электропроводная втулка из тугоплавкого металла и трубчатая втулка так, что трубчатая втулка размещается между рабочей частью электрода и металлической электропроводной втулкой. В каждом из вариантов трубчатая втулка выполнена из высокотемпературного электроизоляционного материала. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Электрод газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения, содержащий держатель (1) из тугоплавкого металла, на котором установлена рабочая часть (2) электрода, выполненная из спеченного вольфрама с присадкой активирующего вещества, отличающийся тем, что держатель (1) выполнен в виде единой детали и содержит стержневую (1.1) и опорную (1.2) цилиндрические части, причем на стержневой части (1.1) установлены рабочая часть (2) электрода и трубчатая втулка (3) так, что трубчатая втулка (3) размещается между опорной цилиндрической частью (1.2) и рабочей частью (2) электрода, при этом трубчатая втулка (3) выполнена из высокотемпературного электроизоляционного материала и имеет наружный диаметр d_из, значение которого соответствует следующему условию:

,

где d_из – наружный диаметр трубчатой втулки, d_об – внутренний диаметр оболочки газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения, α_из – коэффициент температурного расширения материала трубчатой втулки, α_об – коэффициент температурного расширения материала оболочки газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения, Т_эл – температура электрода.

2. Электрод по п.1, отличающийся тем, что трубчатая втулка (3) выполняется из кварцевого стекла, высокотемпературной керамики или сапфира.

3. Электрод по п.1, отличающийся тем, что рабочая часть (2) электрода содержит концевую область, которая выполнена в форме конуса, усеченного конуса, усеченного конуса, переходящего в сферическую поверхность, или в виде сферической поверхности.

4. Электрод газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения, содержащий держатель (1) из тугоплавкого металла, на котором установлена рабочая часть (2) электрода, выполненная из спеченного вольфрама с присадкой активирующего вещества, отличающийся тем, что держатель (1) выполнен в виде цилиндрического стержня, на котором установлены рабочая часть (2) электрода, металлическая электропроводная втулка (4) из тугоплавкого металла и трубчатая втулка (3) так, что трубчатая втулка (3) размещается между металлической электропроводной втулкой (4) и рабочей частью (2) электрода, при этом трубчатая втулка (3) выполнена из высокотемпературного электроизоляционного материала и имеет наружный диаметр d_из, значение которого соответствует следующему условию:

,

где d_из – наружный диаметр трубчатой втулки, d_об – внутренний диаметр оболочки газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения, α_из – коэффициент температурного расширения материала трубчатой втулки, α_об – коэффициент температурного расширения материала оболочки газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения, Т_эл – температура электрода.

5. Электрод по п.4, отличающийся тем, что трубчатая втулка (3) выполняется из кварцевого стекла, высокотемпературной керамики или сапфира.

6. Электрод по п.4, отличающийся тем, что металлическая электропроводная втулка (4) выполнена токарной обработкой и соединена с торцевой частью держателя (1) посредством электроннолучевой, лазерной или плазменно-дуговой сварки или пайки высокотемпературным припоем.

7. Электрод по п.4, отличающийся тем, что рабочая часть (2) электрода содержит концевую область, которая выполнена в форме конуса, усеченного конуса, усеченного конуса, переходящего в сферическую поверхность, или в виде сферической поверхности.

8. Электрод газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения, содержащий единую деталь (5) из тугоплавкого металла с присадкой активирующего вещества, которая включает рабочую часть (5.1) электрода и цилиндрический стержень (5.2), отличающийся тем, что на цилиндрическом стержне (5.2) установлены металлическая электропроводная втулка (4) из тугоплавкого металла и трубчатая втулка (3) так, что трубчатая втулка (3) размещается между рабочей частью (5.1) электрода и металлической электропроводной втулкой (4), при этом трубчатая втулка (3) выполнена из высокотемпературного электроизоляционного материала и имеет наружный диаметр d_из, значение которого соответствует следующему условию:

,

где d_из – наружный диаметр трубчатой втулки, d_об – внутренний диаметр оболочки газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения, α_из – коэффициент температурного расширения материала трубчатой втулки, α_об – коэффициент температурного расширения материала оболочки газоразрядного источника широкодиапазонного оптического излучения, Т_эл – температура электрода.

9. Электрод по п.8, отличающийся тем, что трубчатая втулка (3) выполняется из кварцевого стекла, высокотемпературной керамики или сапфира.

10. Электрод по п.8, отличающийся тем, что металлическая электропроводная втулка (4) выполнена токарной обработкой и соединена с торцевой частью цилиндрического стержня (5.2) пайкой высокотемпературным припоем или сваркой.

11. Электрод по п.8, отличающийся тем, что рабочая часть (5.1) электрода содержит концевую область, которая выполнена в форме конуса, усеченного конуса, усеченного конуса, переходящего в сферическую поверхность, или в виде сферической поверхности.