книги из ГПНТБ / Варламов В.А. Сборочные операции в электровакуумном производстве учеб. пособие

дит в газокислородном пламени, имеющем более высокую темпера­ туру. Для получения спаев с кварцевым стеклом используют кисло­ родно-водородное пламя и специальные горелки. Обычно рекомен­ дуется предварительно оплавлять пли шлифовать торцевые кромки плоскости стеклянной заготовки.

Для изготовления трубчатых и дисковых спаев применяют разо­ грев их не только газовым пламенем, но и электрическим током. При этом используют две разновидности электрического нагрева:

1) переменный электрический ток от понижающего трансфор­ матора, который пропускают непосредственно через металлический диск; при этом металл и прилегающий к нему тонкий слон стекла

вызывает разогрев металла и прилегающих к нему участков стекла (за счет теплопередачи от металла). При 'разогревании стекла оно тоже начинает проводить электрический ток, что еще больше повы­ шает температуру в месте спая и обеспечивает равномерный и бы­ стрый нагрев стекла. Размягченное стекло обтекает металл, обра­ зуя с ним спай. Схема вварки в стеклянные колбы металлических чашечных вводов с помощью «высокочастотного нагрева показана на рис. 142. Сначала разогревают колбу пламенем газовой горел­ ки. После нагревания горелкой 2 пробойник 1 под действием соб­ ственного веса продавливает размягченное стекло колбы и падает

•в сосуд 3, заполненный водой. В полученное отверстие вставляют чашечный металлический ввод 5, который разогревается токами вы­ сокой частоты от высокочастотного индуктора 4 до получения спая металлического ввода со стеклом колбы. Затем производится от­ жиг спая сначала мягким пламенем, а затем в карусельных, и кон­ вейерных печах.

§ 67. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРА ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

Токи высокой частоты создаются генератором высокой частоты, блок-схема которого показана на рис. 143.

230

напряжение, потребляемое от сети, в напряжение высокой частоты. Высокочастотная энергия, вырабатываемая генераторной лампой Л , поступает в колебательный контур, который состоит из конденсатор­ ного блока КБ и высокочастотного индуктора ВИ. Колебательный контур является источником незатухающих колебаний высокой ча­ стоты.

Высокочастотный индуктор ВИ представляет собой, катушкусоленоид и подносится к деталям, которые требуется нагреть. Пере­ менный электрический ток, протекающий по виткам высокочастот­ ной катушки-индуктора, создает внутри нее переменное магнитное поле. Магнитный поток этого поля замыкается в плоскости, перпен­ дикулярной направлению электрического тока в витках катушкииндуктора. Высокочастотная катушка имеет форму и габариты, при которых магнитный поток пересекает (пронизывает) электропрово­ дящий замкнутый контур, образуемый свариваемой металлической деталью.

При изменении магнитного потока, пронизывающего металличе­ скую деталь, в ней возбуждаются индукционные высокочастотные (вихревые) * токи. Ввиду того что сопротивление массивного про­ водника — детали очень мало, вихревые токи достигают очень боль­ шой величины. Нагрев детали высокочастотными вихревыми тока­ ми обусловливается двумя процессами:

1) выделением джоулева тепла в соответствии с законом Джоу­ ля — Ленца;

* Индукционные токи, возникающие в сплошных металлических деталях, на­ зывают вихревыми.

231

2) выделением тепла, связанного с потерями электрической энергии на перемагничивание (гистерезис).

Кроме указанных блоков, в блок-схему генератора входят вспо­ могательные и питающие узлы:

выпрямительный блок для питания анода генераторной лампы Л постоянным высоковольтным напряжением; анодный дроссель Д и блокировочный конденсатор С для предотвращения проникновения переменной составляющей генераторной лампы Л в выпрямитель­ ный блок; катушка обратной связи КОС для поддержания незату­ хающих колебаний в высокочастотном индукторе ВИ (КОС пере­ дает часть вырабатываемого генераторной лампой напряжения вы­ сокой частоты на управляющую сетку этой же лампы);

автотрансформатор В для регулирования напряжения нити на­ кала генераторной лампы Л.

Система контроля за режимом работы генератора состоит из трех контрольных приборов: вольтмера V для измерения напря­ жения накала генераторной лампы, амперметра А для измерения анодного тока (показывает при данной настройке уровень тока, отдаваемого генераторной лампой в высокочастотную катушку — индуктор), миллиамперметра МА для измерения сеточного тока.

Полезная мощность, которая индуцируется в нагреваемых дета­ лях, определяется по следующей формуле:

іѴпол = 2,81 - W-*AZY7w[em\,

где А — постоянная величина, зависящая от конструкции высоко­ частотного индуктора, в частности от высоты и диаметра высокоча­ стотной катушки и диаметра нагреваемых электродов; f — частота тока, протекающего через катушку; ц — магнитная проницаемость материала детали; р — удельное электрическое сопротивление ма­ териала детали; Z — число ампер-витков катушки.

Из этой формулы следует, что с увеличением частоты тока, маг­ нитной проницаемости, удельного электрического сопротивления материала детали и особенно числа ампер-витков катушки умень­ шается время, которое необходимо для спаивания стекла с метал­ лом.

Следует учесть, что с повышением частоты тока, магнитной про­ ницаемости и понижением удельного электрического сопротивле­ ния металла уменьшается глубина проникновения высокочастот­ ного электромагнитного поля в толщу детали и соответственно ухуд­ шается равномерность прогрева детали.

При частоте тока 1 кгц ток практически сосредоточен в слое металла толщиной не менее 2 мм\ при частоте 100 кгц ток сосредо­ точен в слое толщиной не более 0,2 мм.

§ 68. ОСОБЕННОСТИ ОТЖИГА СПАЕВ СТЕКЛА С МЕТАЛЛОМ

Отжиг спая стекла с металлом слагается из двух этапов:

1) обогрев мягким пламенем горелок непосредственно на обору-

232

доваиии, где изготовляется спай; этим обеспечивается более равно­ мерное охлаждение спая и уменьшается вероятность возникнове­ ния больших напряжений в спае;

2) нагрев полученного спая в карусельных или конвейерных печах; при этом удаляются остаточные напряжения, возникшие в спае при его изготовлении. Удаление напряжений обусловливается пластической деформацией стекла и металла при температуре от­ жига.

В настоящее время рекомендуется ускоренный режим отжига спаев стекла с металлом, при котором после остывания спая в нем еще остаются некоторые остаточные постоянные распределенные напряжения до 300 ммкм/см, имеющие определенное направление. Эти «полезные напряжения» будут компенсировать механические напряжения (обратного знака), которые могут возникать впослед­ ствии при создании в трубке вакуума, или термические напряже­ ния растяжения, которые могут возникать в спае при его нагреве во время работы прибора. Создание «полезных напряжений» обес­ печивается неравномерным остыванием металла и стекла (напри­ мер, с помощью отжига в специальных асбестовых колпаках вместо ящичных печей) или обдуванием стекла или металла. Ускоренный режим позволяет сократить продолжительность и уменьшить макси­ мальную температуру отжига.

§ 69. ЭЛЕКТРОЛИЗ СТЕКЛА .

При работе приборов часто наблюдается растрескивание спаев стекла с металлом, обусловленное электролизом стекла. Электро­ лизом называется направленное движение ионов (т. е. прохожде­ ние тока через вещество), сопровождающееся окислительно-восста­ новительными реакциями на электродах.

Для электролиза стекла необходимы два условия:

1)наличие в стекле вваренных электродов, которые при изго­ товлении или эксплуатации прибора находятся под разными потен­ циалами;

2)высокая температура стекла на участке между электродами. Электролиз стекла обусловливается следующими физико-хими­

ческими процессами. При повышенной температуре происходит дис­ социация силикатов, входящих в состав стекла; при этом образуют­

233

лентных металлов К+ и Na+ (так как они имеют более высокую подвижность, чем ионы многовалентных металлов), при этом КТР стекла в микрослое возрастает, а удельное объемное сопротивление уменьшается.

слоя стекла у анода ионами К+ и Na+ сопровождается уменьше­ нием КТР и повышением удельного объемного сопротивления стек­ ла вокруг анода.

Изменение состава и КТР стекла около спаев с металлом при­ водит к нарушению согласованности спаев и их разрушению.

2. Разрушение стекла обычно наблюдается у внутренней стороны ввода с более высоким положительным потенциалом. Это объяс­ няется высоким удельным сопротивлением стекла в микрослое у анодного вывода (за счет обеднения ионами натрия) и соответст­ венно большим падением потенциала и высокой напряженностью поля на этом участке стекла. Таким образом создаются условия для электрического пробоя, приводящего к появлению у анода мел­ ких искорок и трещин.

При этом чем выше температура стекла, тем при меньшей на­ пряженности поля возникает пробой и разрушение стекла (напри­ мер, при '/=300—310° С разрушение стекла происходит при напря­ женности поля 3—4 в/млі) .

Даже при отсутствии пробоев электролиз может привести к об­ разованию каналов около электродов, что ухудшает вакуум.

3. На катоде выделяется водород, а на аноде — кислород. Это приводит к ухудшению вакуума в готовом приборе, а также к вос­ становлению металла электродов, находящихся под отрицательны­ ми потенциалами, и окислению металла электродов, находящихся под положительным потенциалом. Одновременно изменяется цвет спаев. Например, почернение платинитового ввода, находящегося под положительным потенциалом, объясняется окислением закиси меди до окиси меди на поверхности платинита под действием вы­ деляющегося кислорода. Наоборот, платинитовый ввод, находящий­ ся под отрицательным потенциалом, приобретает цвет натуральной меди за счет восстановления закиси меДи водородом.

Появление черных налетов на отрицательных электродах, вва­ ренных в свинцовое стекло (например, С93-1), объясняется тем* что щелочные металлы (накапливающиеся при электролизе у ка­ тода) вступают в химическое взаимодействие с окисью свинца, и образуется свободный черный металлический свинец. Изменение цвета впая при эксплуатации прибора и медленное натекание воз­ духа в прибор являются признаками электролиза.

Следует учесть, что электролиз возможен не только на участке между впаями, но и в стеклянной оболочке одиночного ввода (об­ мотке ввода стеклом), если эта оболочка бомбардируется электро­ нами.

Ослабления вредного влияния электролиза можно достигнуть тремя способами:

234

1) применением стекол с малым содержанием окислов щелоч­ ных металлов и соответственно с высоким сопротивлением;

2) охлаждением спаев стекла с металлами в процессе подачи на электроды различных потенциалов;

3) увеличением расстояния между электродами.

Следует учесть, что вероятность электролиза стекла ножки при­ боров увеличивается по мере повышения температуры катода и уве­ личения его теплового излучения.

§70. ЭМАЛИРОВАНИЕ МЕТАЛЛОВ

ИСПЛАВОВ

Для повышения механической прочности и вакуумной плотно­ сти спая стекла с металлом иногда металл подвергают эмалиро­

воздействию, твердостью, прочностью на истирание и износ, боль­ шой теплостойкостью; недостаток эмалей — хрупкость.

В состав пасты для нанесения эмалей входят: размолотые гра­ нулы стекла *, этиловый спирт, изоамилацетат, окись хрома и ни­ тролак. Окись хрома служит для повышения термостойкости эма­ лей.

Пасту наносят на детали пульверизацией, окунанием или мето­ дом газопламенного напыления. Предварительно металлические де­ тали окисляют до образования на них тонкой пассивирующей окисиой пленки.

Спекание эмали (т. е. обжиг, служащий для закрепления эма­ ли на металле) производится путем нагрева в электрических печах до f=880—950° С в течение 3—5 мин с последующим охлаждением на воздухе. Спекание эмали можно производить также путем поме­ щения детали с нанесенной на нее пастой в электромагнитное поле высокочастотного индуктора. При спекании окисная пленка частич­ но растворяется в эмали, т. е. практически образуется спай ме­ талл— стекло эмали. В дальнейшем непосредственно при впаива­ нии в стекло эмалированного металла практически происходит сварка стеклянной детали со стеклом эмали (а не стеклянной де­ тали с металлом); это позволяет получить качественный спай при более низкой температуре и в течение меньшего времени.

* Состав стекла выбирается в зависимости от материала детали.

235

Понятие о давлении

Газ — это совокупность молекул, не связанных друг с другом силами сцепления. Молекулы газа обладают большой подвиж­ ностью и находятся в постоянном хаотическом тепловом движении.

При отсутствии внешних воздействий газ (в отличие от жидкости и твердого тела) стремится распределиться по всему доступному для него объему.

Состояние и поведение газа характеризуется тремя величинами: давлением Р, температурой Т и объемом V. Эти величины назы­ ваются термодинамическими параметрами состояния газа.

Давление газа обусловливается ударами молекул газа о стен­ ки оболочки, в которую он заключен. Общая сила ударов, прихо­ дящаяся на 1 см2 стенки оболочки, и будет давлением газа. Вели­ чина давления зависит от:

кинетической энергии поступательного движения молекул, уда­ ряющихся о стенку оболочки

тпѵ-

т;

количества ударов молекул газа о единицу поверхности стенки оболочки в единицу времени (т. е. частоты ударов).

Количество ударов определяется количеством молекул в едини­ це объема газа (концентрацией газа) N. Поэтому величина давле­ ния определяется следующей формулой:

Р = — Nmu2, 3

где ./V— концентрация газа; m — масса одной молекулы; и — средняя квадратичная скорость молекул.

Из этой формулы следует, что давление пропорционально кон­ центрации и плотности газа.

Если в замкнутом сосуде молекулы двухатомного газа распа­ даются на атомы, то это ведет к увеличению давления (так как при этом вдвое увеличивается количество частиц газа в единице объ­ ема). При соединении атомов в двухатомные молекулы давление уменьшается (так как вдвое уменьшается концентрация частиц газа).

Иногда необходимо знать давление каждого газа, входящего в газовую смесь. Давление, которое имел бы газ, входящий в смесь, если бы он один занимал весь объем смеси (а других газов не было), называется парциальным давлением этого газа. Парциаль-

237

пое давление газа не зависит от наличия в смеси других газов. На­ пример, парциальное давление водорода не изменится, если в смесь водорода и азота добавить азот (хотя общее давление смеси при этом увеличится). Давление смеси газов равно сумме парциальных давлений (т. е. сумме давлений каждого из газов в отдельности) — это закон Дальтона.

+ Л»

где Р — давление смеси газов; Ри Р2, Р2, ... , Рп — парциальное дав­ ление каждого из газов.

В вакуумной технике до недавнего времени единицей давления считался 1 мм рт. ст. Этой величине соответствует давление ртут­ ного столба высотой 1 мм при 0°С в точке земного шара, где уско­ рение силы тяжести равно 9,80655 м/сек2 (другими словами — это

деленной по поверхности площадью в 1 м2.

Между различными единицами давления существует следующее соотношение:

1 мм pm. ст. = 133,3 Па\

1 бар = ІО3 Па.

Понятие о температуре

Температура — это величина, характеризующая степень нагретости тела. Нагревание тел обусловливается повышением средней

сти поступательного движения молекул. При соприкосновении двух тел с разной температурой энергия от более нагретого тела пере­ дается к менее нагретому до тех пор, пока температура этих тел не сравняется. При понижении температуры скорость поступательного движения молекул уменьшается.

Температура, при которой скорость поступательного движения молекул становится равной нулю, называется температурой абсо­ лютного нуля. Температуры ниже температуры абсолютного нуля в природе быть не может. Температура абсолютного нуля соответ­ ствует—273,15° С.

Охладить какое-либо тело до температуры абсолютного пуля невозможно; однако практически удалось получить температуру, лишь на 0,0044° С отличающуюся от абсолютного нуля.

I 238

На практике применяют две температурные шкалы.

В международной практической температурной шкале за едини­ цу измерения температуры принят 1°С (градус Цельсия). Темпе­ ратура по этой шкале обозначается і. За начало отсчета по этой шкале принимают температуру таяния льда при нормальном давле­ нии и обозначают ее 0°С. За вторую точку принимают температуру кипения воды при нормальном давлении и обозначают ее 100° С. Промежуток между этими точками делят на 100 равных частей, и за цену одного деления такой шкалы принимают 1°С.

В международной термодинамической температурной шкале за единицу измерения принят 1°К (градус Кельвина); температура по этой шкале обозначается Т. В этой шкале за начало отсчета при­ нят абсолютный нуль температуры, а размер градуса остается та­ ким же, как в международной практической температурной шкале. Поэтому по этой шкале температура таяния льда при нормальном давлении соответствует 273,15° С.

Температура в °К называется термодинамической (а иногда аб­ солютной) .

Температура, выраженная в градусах Кельвина, связана с тем­ пературой, выраженной в градусах Цельсия, следующим соотноше­

ными соотношениями, называемыми газовыми законами. Изменение хотя.бы одного параметра газа (например, температуры) обяза­ тельно сопровождается изменением одного или остальных парамет­ ров (например, давления или объема).

Обычно при протекании процессов изменяются только два пара­ метра, а третий остается постоянным. Процессы, при которых один из параметров {Р, V или Т) не изменяется, получили название изо­ процессов.

Изотермическим называется процесс, который происходит при постоянной температуре.

Изохорическим называется процесс, который протекает без из­ менения объема.

Изобарическим называется процесс, который протекает без из­ менения давления.

239