2.4 Вибір конструкційних матеріалів та наповнення лампи.

Колба має бути виготовлена з кварцового скла, оскільки температура колби в робочому режимі лежить в межах 900...950 º С.

Кварцове скло являє собою переохолоджений розплав чистого двоокису кремнію. Своєю аморфною структурою воно відрізняється від кристалічного кварцу, маючи з ним однаковий хімічний склад.

Кварцовому склу притаманний комплекс найцінніших властивостей, недосяжний в інших стеклах. Його відрізняє висока механічна міцність, хімічна стійкість, висока температура розм'якшення, прозорість у широкому діапазоні випромінювань і т.п. Це робить кварцове скло незамінним матеріалом для вакуумних оболонок багатьох високоінтенсивних джерел світла.

Висока робоча температура пальників КМГЛ – не нижче 850 ˚С – у поєднанні з надзвичайно агресивним наповненням, що включає такі елементи як цезій, йод, бром, диспрозій, гольмій, тулій тощо, ставлять дуже високі вимоги до кварцового скла та якості кварцових труб.

Від хімічного складу кварцового скла залежить ряд його фізичних та хімічних властивостей, наприклад, пропускання світла, потемніння в процесі термічної обробки, взаємодія з компонентами наповнення, виділення в розряд речовин, які шкідливо впливають на запалювання лампи тощо.

Випробування ламп на термін роботи показали, що коли вміст магнію, титану та заліза перевищує 5∙10 ^{– 4} мас. %, то це негативно впливає на термін роботи ламп.

Колба лампи, як було сказано вище, виготовляється з кварцової труби. Жорсткіші вимоги ставляться до геометрії кварцових труб – овальності, конусності, різностінності, наявності кольорових включень тощо.

Кварцове скло має такі основні властивості:

Щільність, кг/м — 2000 – 2300

Межа міцності, МПа:

при розтяганні - 100

при стиску - 1600 - 2000

при вигинанні - 70

при зсуві - 30

Температура початку розм'якшення, ˚С — близько 1300

Інтервал температур обробки, ˚С — 1900 – 2000

Максимальна робоча температура, ˚С:

тривала - 1000

короткочасна – 1300

Середній температурний коефіцієнт лінійного розширення, K^–1 – 5,5∙10 ^{– 7}.

За низьких температурах кварцове скло взаємодіє з розчинами фтористоводневої кислоти, що широко використовується на практиці для видалення забруднення поверхневого шару.

Недоліком кварцового скла є його схильність до кристалізації в області 1200 – 1300 ˚С. Особливо цей процес прискорюється при забрудненні скла лужними й лужноземельними металами і їхніми солями.

Для збільшення терміну роботи КМГЛ, враховуючи високі термічні навантаження на стінки кварцових пальників, на них наносять захисні покриття. В якості таких покриттів служать тонкі плівки окислів різних елементів, що мають низький тиск парів за робочої температури кварцу. В основному, це двоокис кремнію.

Електроди лампи в робочому режимі мають високу температуру і виготовляються з вольфраму. Серед інших тугоплавких металів вольфрам виділяється великою щільністю, найвищою температурою плавлення, малою швидкістю випаровування, значною теплопровідністю й порівняно невеликим коефіцієнтом лінійного розширення.

Швидкість випаровування вольфраму при 2730˚С становить 10^–7 кг/(м ∙с), а тиск насичених парів 10^–2 Па. При зміні температури швидкість випаровування також змінюється. Так, за температури 2330˚С вона в 50 разів менша, ніж за 2730 ˚С. Швидкість випаровування чутлива до змін структури й чистоти вольфраму й знижується, якщо тіло розжарення перебуває в середовищі важкого інертного газу.

Електричні властивості вольфраму характеризуються високим значенням питомого електричного опору і його різкою зміною зі зміною температури. Це дозволяє швидко нагрівати вольфрамове тіло розжарювання.

Хімічна стійкість вольфраму висока. У звичайних атмосферних умовах він не окисляється, при нагріванні вступає у взаємодію з киснем, парами води, азотом, вуглецями. Для напружених вольфрамових деталей особливо небезпечні пари води, які сприяють утворенню легко летючого вольфрамового ангідриду. Останній після конденсації на стінках колби відновлюється воднем, що звільнився, знову утворює вольфрам і пари води. У погано відкачаній лампі розжарювання цей процес може за короткий час привести до почорніння колби й руйнування тіла розжарення.

Застосування чистого вольфраму у виробництві джерел обмежено через порівняно низьку температуру рекристалізації (1050 ˚С). Уповільнення рекристалізації й деяка зміна властивостей вольфраму в потрібному напрямку досягається шляхом введення в нього присадок у вигляді оксидів.

Для виготовлення електродів газорозрядних ламп використовують вольфрам марок ВА, ВЧ, ОЧВ та ВТ.

Вольфрам марки ВТ містить певну кількість окису торію і має порівняно меншу роботу виходу електронів, що сприяє зниженню напруги запалювання лампи і стабілізації роботи лампи в період розгоряння. Але електроди КМГЛ швидко виходять з ладу внаслідок бурхливого розпилення електродів і напилювання вольфраму на стінки колби. Тому вольфрам цієї марки не використовують для виготовлення електродів КМГЛ.

Практично по усім домішкам найкращі показники має вольфрам марки ОЧВ. На перший погляд, саме він є найприйнятнішим матеріалом електродів.

Досліди показали, що в КМГЛ потужністю 4000 Вт термін роботи електродів з

вольфраму марки ВА такий самий, як і для вольфраму марки ОЧВ. Це пояснюється тим, що вже після 50 год. роботи лампи гаряча зона електродів з вольфраму марки ОЧВ внаслідок збірної рекристалізації складається з крупних зерен, а мікроструктура електродів з вольфраму марки ВА протягом 130 год. практично не змінюється. Окрім того, вольфрам марки ВА дешевший за ОЧВ.

Отже для електродів ДРВК 4000 доцільно використовувати вольфрам марки ВА, який містить алюмінієву та кремнієволужну присадки (0,03% Al₂O₃, 0,45% Si₂ і 0,45% KCl).. Структура рекристалізованого вольфраму марки ВА дозволяє здійснювати його обробку тиском при підігріві. Така обробка з підігрівом сприяє усуненню в металі внутрішніх напружень, кращому його знегажуванню, робить вольфрам більш пластичним, запобігає його навуглецюванню, тому що за температур вище 1130 – 1230 ˚С схильність вольфраму до утворення карбідів знижена.

Вольфрам має такі основні властивості:

Щільність, 10³ кг/м³ — 19,3

Температура плавлення, ˚С — 3140

Температурний коефіцієнт лінійного розширення, 10^{– 7} ˚С^–1 — 44

Питомий електричний опір, 10^{– 8} Ом∙м — 5,58

Межа текучості, МПа - 350 (при 1500 К)

Межа міцності при розтягуванні, МПа - 600 – 3000

Відносне подовження, % - 0 - 3

Модуль пружності, ГПа – 400

Фольгові уводи і виводи, як було зазначено вище, виготовляють з молібдену.

Нерекристалізований молібден за багатьма властивостями схожий на вольфрам. Це твердий, міцний і пружний метал. Хоча його твердість і міцність менша, ніж у вольфраму, він більш пластичний і менш схильний до нагартування й тому легше обробляється.

Відпалений молібден стає досить пластичним і може оброблятися навіть у холодному стані. Відпалювання молібдену за температури вище температури рекристалізації робить його крихким і непридатним до роботи. Підвищення температури рекристалізації й утворення кращої структури досягається введенням у молібден спеціальних присадок, а також використанням методів вакуумної металургії для одержання металу.

Швидкість випаровування молібдену майже в 2 рази вище, а теплопровідність, температура плавлення й питомий електричний опір трохи нижчі, ніж у вольфраму.

Молібден — хімічно стійкий метал, але в меншому ступені, ніж вольфрам. За кімнатної температури в сухому повітрі молібден стійкий, але починає окислятися при нагріванні понад 400 С. Окислювання молібдену відбувається також і за кімнатної температури у вологій атмосфері.

При нагріванні у вакуумі окисли молібдену легко звітрюються, але майже не розкладаються. Тому готові молібденові деталі перед монтажем необхідно ретельно відновлювати за 780 – 980 С у чистому сухому водні протягом 10 – 30 хв. В цілому знегажування молібдену у вакуумі відбувається важче, ніж вольфраму та інших тугоплавких металів. Нагрівання молібдену до температури понад 730 С у контакті з вуглецем або вуглеводнями приводить до утворення карбідів.

Ртуть і її пари на молібден практично не діють. Його стійкість до кислот менша, ніж у вольфраму, сірчана, соляна й плавикова кислоти діють на молібден при нагріванні. Швидко й повністю розчиняють молібден нагріта азотна кислота і її суміші із сірчаною, а також із плавиковою кислотою.

Молібден інтенсивно розчиняється в розплавлених азотно- і азотистокислих солях калію, натрію, лугах при електролізі, перекису натрію, хлориду калію. Ці хімічні матеріали широко використовуються для очищення поверхні молібдену травленням.

У виробництві джерел світла молібден застосовується головним чином у вигляді дротів марок МЧ, МК і МНР, прутків марки МЧ, прокачаної жерсті у вигляді стрічок і пластин марок МЧ, МК, МРН, а також фольги з молібдену вакуумної плавки.

Щільність, кг/м — 10,2

Температура плавлення, С — 2620

Температурний коефіцієнт лінійного розширення, С — 51

Питомий електричний опір, Ом м — 5,78

Границя текучості, МПа — —

Межа міцності при розтягуванні, МПа - 560 - 1300

Відносне подовження, % - 10 - 20

Модуль пружності, ГПа – 320

Цоколі лампи виготовляють з латуні і покривають нікелем.

Обов’язковими елементами наповнення лампи є ртуть, інертний газ (аргон) та галогеніди рідкоземельних металів.

У всіх сучасних МГЛ як буфер застосовується ртуть, яка має надзвичайно вдале поєднання властивостей:

1. Пара ртуті та її галогенові сполуки не руйнують стінок кварцової колби і матеріалу електродів за їх робочих температур.

2. Пара ртуті має малу теплопровідність, внаслідок чого вдається майже гранично зменшити питомі теплові втрати у стовпі Р_1ст.

3. Потенціали збудження та іонізації атомів ртуті суттєво вищі, ніж в інших металів, що вводяться як випромінюючі добавки. Це дозволяє вводити ці добавки за значно нижчих тисків. Завдяки цьому вдається отримувати випромінювання більш ніж 40 металів, галогеніди яких мають достатні пружності пару за максимальної робочої температури кварцового скла (900...1000 ˚С).

4. Пара ртуті має низький тиск за кімнатної температури (близько 0,17 Па), а при підвищенні температури в межах, які допускає робота кварцового скла, тиск парів ртуті можна доводити до десятків і більше МПа. Завдяки цьому полегшується запалювання розряду, і є можливість регулювати робочий тиск буфера у виключно широких межах.

5) Ртуть утворює сполуки з йодом, завдяки чому вільний йод зв’язується, що полегшує запалювання розряду.

6. Ртуть викликає суттєве уширення ряду спектральних ліній добавок, завдяки чому зростає їх вихід.

Основні властивості ртуті:

Густина – 80 кг/м³;

Питомий електричний опір – 0,958 мкОм·м;

Температура плавлення – 234 К

Температура кипіння – 630 К

Кількість ртуті, що вводиться у лампу, визначається, насамперед, метою досягнення необхідної напруги на лампі.

Рідкоземельні метали гольмій та диспрозій мають багатолінійчасті спектри з рівномірним розподілом енергії випромінювання по усій кольорофотографічній області спектру, чим і зумовлено їх вибір як випромінюючих добавок в лампах для кольорового кінематографу та відеоз’йомок.

Кількість випромінюючих добавок та йодистого цезію, що вводяться в пальник лампи, визначається з умов забезпечення необхідних світлових, колірних параметрів та терміну роботи.

Збільшення чи зменшення концентрації рідкоземельних металів в досить широких межах майже не впливає на спектр лампи.

Використання чистих рідкоземельних металів дозволяє до мінімуму зменшити кількість компонентів наповнення. Необхідні для вольфрамо-галогенового циклу та металогалогенових циклів випромінюючих добавок галогени вводяться за допомогою галогенидів (йодидів та бромідів) ртуті.

Використання рідкоземельних металів має і негативний бік. Це пов’язано з негативним впливом їх на електроди лампи, що знижує стабільність дуги розряду і підвищує напругу запалювання лампи.

Вказаний недолік усувається введенням у лампу лужних металів, що мають низькі потенціал іонізації і роботу виходу електронів. Найбільш доцільно використовувати цезій. Його основні лінії випромінювання розташовуються в інфрачервоній області спектру і не впливають на спектр лампи в кольорофотографічній області спектру.

Введення цезію у чистому вигляді неможливе, бо він має надзвичайно високу хімічну активність. Тому доцільно вводити його виключно у вигляді йодиду, що дозволяє, до речі, зменшити його негативний вплив на кварцову оболонку колби.

Як показали дослідження, оптимальною є концентрація йодиду цезію в межах 0,15…0,5 мг/см³. За меншої концентрації розряд стає нестабільним, за більшої – спостерігається суттєвий спад світлового потоку.

Йодид та бромід ртуті являють собою відповідно червоний та безбарвний порошки. Вони є малорозчинними у воді, мають температури плавлення 257 і 241 º С. Вже за температури 50...80 º С починається інтенсивна сублімація галогенидів ртуті, що не дозволяє здійснювати знегажування і зневожування цих компонентів наповнення безпосередньо в лампах.

Таблиця 2. Основні властивості галогенидів ртуті і цезію та металів.

Властивість	Ho	Dy	HgBr	HgJ	CsJ
Густина, г/см3	8.8	8.5	5,12	5,24	3,175
Розчинність у воді, г/100г води	-	-	0,62	0,006	85,6
Температура плавлення, º С	1461	1407	241	257	627
Температура кипіння, º С	2600	2600	319	354	1280
Потенціал іонізації, еВ	-	-	10,62	9,5	7,25

Необхідна кількість рідкоземельних металів складає 0,1...0,8 мг/см³.

Об’єм пальника лампи складає ~ 34 см³.

Тоді кількість рідкоземельних металів ~ 3,4...27 мг.

Приймемо: m_Dy = 15 мг, m_Ho = 5 мг, m_Tm = 3 мг

Оптимальна кількість галогенидів цезію складає 0,15...0,5 мг/см³ або 5...17 мг.

Лампи наповнюються аргоном до тиску 13,3 кПа (100 мм. рт. ст.), ртуттю в

кількості 130 мг.