Оптимизация и создание газоразрядных приборов оптического излучения повышенной надежности для применения в электронных устройствах

Актуальность темы

Импульсные газоразрядные источники излучения, в их числе источники света в настоящее время получили широкое распространение в различных областях науки и техники: осветительной, сигнальной, фотохимии, медицине и авиации.

Применение ламп конструктивно совмещено со сложными и дорогостоящими оптическими системами, что обуславливает повышенные требования к их качеству, надежности и долговечности.

Данные о влиянии технологии изготовления на долговечность импульсных частотных ламп весьма ограничены. Известно, например, что долговечность ламп зависит от степени обезгаживания электродов во время откачки. Несмотря на значительное количество работ, в которых исследованы отдельные технологические операции изготовления газоразрядных ламп, ни одна из них не содержит анализа влияния достаточно широкого комплекса факторов технологического режима на работоспособность источников света в их взаимосвязи.

Одной из важнейших характеристик импульсных газоразрядных ламп является их ресурс в заданном режиме нагружения, определяемый энергией W, длительностью ти и частотой следования импульсов f. В большинстве случаев полный ресурс работы ламп ограничивается разрушением кварцевой колбы. Анализ долговечности ламп необходимо проводить исходя из физических представлений, связанных с процессами разрушения хрупких аморфных тел, к которым относится кварцевое стекло. В связи с этим, необходимо отметить, что долговечность и надежность газоразрядных источников света в значительной мере определяются эрозионными процессами на электродах. Продукты эрозии осаждаются на стенках кварцевой оболочки ламп и вызывают уменьшение излучаемого светового потока за счет увеличения доли энергии, поглощаемой оболочкой. Исследование и поиск путей повышения долговечности газоразрядных источников света являются актуальной научно-технической проблемой. Один из этапов ее решения — исследование взаимосвязи долговечности импульсных газоразрядных ламп с технологическим процессом их изготовления рассмотрен в настоящей работе.

Целью диссертационной работы является исследование возможности оптимизации технологии производства и создание высоконадежных источников светового излучения с учетом применения новейших конструктивнотехнологических решений на всех стадиях производства и использования результатов исследования на практике. Для достижения указанной цели диссертационной работы необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить обзор и анализ существующих методов технологии производства газоразрядных ламп и определить факторы, оказывающие определяющее влияние на эффективность выходных параметров.

2. Разработать методологию исследования основных характеристик импульсных газоразрядных лам малой и средней мощности с разрядным промежутком от 12 до 35 мм в заданном диапазоне параметров.

3. Провести экспериментальные исследования причин отказов ламп в требуемых режимах.

4. Дать предложения и рекомендации на изготовление опытных партий с учетом новой технологии и конструктивных дополнений.

5. Подтвердить влияние безмасляной откачки приборов на их качество, проявление при относительно высоких энергиях разряда и не существенное влияние при малых энергиях разряда до 20 Дж.

6. Реализация полученных результатов при разработке и внедрении в производство новых типов эффективных газоразрядных импульсных ламп малой и средней мощности.

Методы исследования базировались на проведении комплекса исследований процесса отказа импульсных газоразрядных ламп, под действием внутреннего давления наполняющего газа и паров материала стенки. В результате исследований разработана теоретическая модель технологии всего цикла производства газоразрядных ламп. Технологический процесс изготовления газоразрядных импульсных ламп может быть идентифицирован как сложная система, характеризующаяся значительным числом взаимосвязанных параметров.

Это дало возможность разрабатывать и обосновывать новый метод изучения предельных характеристик импульсных ламп без расходования их ресурса в процессе испытаний и проведения экспериментов. Достоверность полученных результатов подтверждается;

1. Высоким уровнем теоретической базы исследований, из которых в I частном случае следуют известные положения теории и методов физики и электроникимоделированием и экспериментальных | исследований лабораторных методов и реальных образцов, / выпускаемых серийным предприятием, а также современными) достиженими таких ученых как: Заалишвили В. Б., Атаев А. Е., / Зедгинидзе И. Г., Рохлин Г. Н., Лебедев И. В., Маршак И. С., Кобзарь А. И. и другие.

2. Учитывая, что разработанные теоретические модели взаимодействия процессов технологии позволяют создавать принципиально новые элементы конструкции импульсных ламп на уровне изобретений, достоверность результатовзосвенньшшут^полтверждается^ наличием публикаций и патентов.

3. Обоснованность и достоверность научных выводов и рекомендаций подтверждается достаточно большим объемом использованных в работе фактических данных, высокой сходимостью полученных результатов с экспериментальными данными.

4. Р^з^ьтать! экспериментов и испытаний подтверждены в рамках ОКР <<Нарзан" «Разработка малогабаритной импульсной лампы специального назначения» по заказу постановления Федерального Правительства и ряда заинтересованных организаций. Разработанная лампа предназначена для создания кратковременных высокоинтенсивных импульсов света и рассчитана на эксплуатацию в малогабаритном светосигнальном устройстве с массой не более 20 грамм. Показатели технического уровня лампы приведены в карте технического уровня (Приложение к диссертации). Разработанная лампа находится на уровне лучших мировых достижений. Лучший зарубежный аналог —лампа SU-380 фирмы Heimann, ФРГ.

Научная новизна диссертации в том, что впервые:

1. В практике отечественного производства кварцевых импульсных газоразрядных малогабаритных ламп. Использован статистический подход и получены модели, связывающие показатели долговечности газоразрядных импульсных источников света с параметрами технологического процесса их изготовления.

2. На основе анализа полученных моделей предложена и экспериментально проверена технологическая схема изготовления газоразрядных импульсных ламп, позволяющая в несколько раз увеличить долговечность ламп в частотных режимах нагружения по сравнению с существующей технологией и конструкцией.

3. Разработаны и внедрены рекомендации по конструированию светосигнальных систем и импульсных газоразрядных ламп, предназначенных для работы в светосигнальной аппаратуре.

4. Разработан и реализован способ напыления токопроводящего селективного покрытия на поверхность колб ламп на основе окиси индия, а также применен газопоглотитель из пористого титана. Что позволило стабилизировать параметры ламп в процессе долговечности.

5. Впервые предложены и защищены патентами России конструктивно-технологические методы снижения дефектности и увеличения надежности и безотказности газоразрядных импульсных малогабаритных ламп.

Техническим результатом диссертационной работы является Патент PV № 2 376 674 С1 от 20.12.2009 г. от 20.12.2009 г. «Электродный узел газоразрядной лапмы».

Практическая значимость:

1. Определялась ее выполнением в рамках важнейших научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, заданных постановлением Правительства РФ и Генеральным заказчиком с последующим внедрением результатов в серийное производство.

2. Светосигнальные системы на базе импульсных газоразрядных ламп получили безупречные параметры при эксплуатации и превзошли требования международного класса.

3. Результат научных исследований востребован промышленностью, для комплектования светового проблескового спасательного маяка ОМГГ-3, который внесен в настоящее время в каталог инвестиционных проектов Республики Северная Осетия-Алания с рекомендацией внедрения в МЧС РФ и его региональные отделения.

4. Экспертная комиссия головного предприятия на основании анализа продукции фирм и предприятий, выпускающих малогабаритные импульсные лампы заключает, что в качестве аналога лампа СК-0,3 является зарубежная лампа SU-380 фирмы Heimann, ФРГ. Стабильность параметров СК-0,3 обеспечивается применением нанотехнологических процессов производства.

Личный вклад соискателя.

Изложенные в диссертации результаты получены автором лично и в соавторстве с сотрудниками ОКБ при ФГУП завод «Разряд» и СевероКавказским государственным техническим университетом. Основная часть научных исследований проведена по инициативе, при личном участии и под руководством автора. Участие автора состояло в постановке задач и целей исследований, проведении эксперимента, разработке экспериментальных методик, проведении расчетов, обсуждении и обосновании научных результатов.

Основная часть экспериментальных исследований проведена автором при участии сотрудников ОКБ завода «Разряд» г. Владикавказ, большая часть автором на основе коллективного обсуждения и анализа результатов. Лично предложено в малогабаритных лампах установку геттера, по теме диссертации получен патент «Электродный узел газоразрядной лампы» от 20.12.09 г.

Все работы по практическому применению результатов исследования проведены под руководством и личном участии соискателя. «гации докладывались на cejvimmpax и научных руководством научного руководителя, доктора физико-математических наук, профессораТ^аслуженногодёятеля наукиРСО-Алайия, Заалишвили Владислава Борисовича, а также докладывались на кафедре электронные приборы МЭИ (ТУ) 25.12.2009 года.

Таким образом, личный вклад автора в диссертационную работу и получение научных результатов, которые выносятся на защиту, является определяющим.

Апробация работы. Основные результаты по теме работы докладывались и обсуждались:

— 6-ая Международная научно-практическая конференция «Инновационные технологии для устойчивого развития горных территорий», Владикавказ,.

2006.

— 8-ая Международная научно-практическая конференция «Электроника и системы метрологического обеспечения сейсмометрии», Владикавказ, 2008.

— 1-ая Всероссийская научно-техническая конференция «Газоразрядные источники оптического излучения», Саранск, .

— 4-ая Международная научно-практическая конференция «Информационные технологии и системы. Наука и Практика», Владикавказ, 2009.

— Семинар «Современные нанотехнологии регистрации колебаний среды», ЦГИ ВНЦ РАН и РСО-А, Владикавказ, 2005.

— 6-ая Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологиях», Саратов, СГТУ, 2008.

— 5-ая Международная конференция «Химия твердого тела и современные микрои нанотехнологии», Кисловодск, 2004.

— 9-ая Международная научно-техническая конференция «Вакуумная наука и техника», Москва, 2005.

— По материалам диссертации опубликовано 8 научных работ, включая 1 -Патент на изобретение № 2 376 674-С1 от 20.12.2009.

Основные положения выносимые на защиту:

1. Использование преимущественного проявления анализа влияния широкого комплекса факторов технологического режима на работоспособность источников света и их взаимосвязи.

Один из этапов ее решения — исследование взаимосвязи долговечности импульсных газоразрядных ламп с технологическим процессом их изготовления.

2. Результаты применения многокомпонентных электродных материалов и их свойства в процессе наработки.

3.^{Результаты} экспериментального исследования повышения долговечности малогабаритных импульсных газоразрядных ламп с параметрами лучших зарубежных образцов.

4. Рекомендации по конструированию светосигнальных систем с применением импульсных ламп повышенной надежности.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Она содержит 147 страниц машинописного текста, 51 рисунок, 15 таблиц, 4 приложения.

Выводы.

Производство газоразрядных приборов относится к наиболее сложным отраслям промышленности. Эта сложность обусловлена необходимостью длительного сохранения газовой среды и качества сборочных элементов конструкций.

В данной главе исследованы физические свойства электродов в работе газоразрядных приборов, а также влияние и роль газопоглотителей на долговечность и безотказность газоразрядных ламп.

Доказано увеличение долговечности ламп путем испытаний узлов газоразрядных ламп с применением безториевых электродов, в составе высокопористых титановых поглотителей, результаты подтверждены авторскими свидетельствами.

Разработана и внедрена в серийное производство высокопроизводительная технология изготовления электродов из композиционных материалов. Внедрение предложенной технологии не только позволило расширить ассортимент электродных материалов и конструкций электродов, но также дало возможность в ряде случаев существенно улучшить их теплофизические свойства. Наиболее ценными в данной главе являются полученные с использованием новых конструкционных материалов применения катодов и электродов газоразрядные лампы. Они позволили не только дать положительный ответ на вопрос о возможности повышения долговечности импульсных частотных ламп до 109 импульсов, но и уточнить их износ в диапазон параметров f=0,5+ 10 Гц, Wy-(=0,25−4 Дж/см.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Впервые разработаны модели, связывающие характеристики технологических процессов с показателями надежности и долговечности газоразрядных импульсных ламп.

Предложена обобщающая физическая модель процесса использования откачных полуавтоматов для откачки газоразрядных ламп. Основные результаты реализованы при разработке и внедрении автоматизированной технологии и наполнения на карусельном полуавтомате типа И23 009.

2. Качественно улучшен технологический процесс заварки. При увеличении длительности дуговой тренировки, на полуавтомате получено более полное обезгаживание электродов и колбы за счет полной бомбардировки.

Впервые разработан и внедрен состав селективного докопроводящего покрытия, что позволило улучшить параметры наработки импульсных ламп.

В результате внедрения выше перечисленных изменений в технологии производства ламп типа ИФП-800, ИНПЗ-7/80А увеличена наработка с 250 до 500 тысяч импульсов разряда.

3. Результаты, полученные с использованием новых конструкционных материалов оболочки и электродов позволили дать положительный ответ на вопрос о возможности повышения долговечности импульсных частотных ламп до 1.

У импульсов и уточнить механизм их износа. Сформулированы требования к конструкции импульсных ламп, направленных на реализацию повышенной долговечности в конкретных режимах.

4. Впервые предложенная и развитая для основных типов импульсных частотных ламп, с оболочкой кварца и катодом из вольфрама, активированного скандатом бария С~15-^18% вес. частей), технология обеспечивает достижение наработки до импульсов в режиме WH— 1,33 Дж/см.

На основе результатов исследования показаны предельные возможности импульсных частотных ламп в режиме долговечности.

5. Предложенная конструкция ламп универсальна в части широкого режима эксплуатации ламп: от редко повторяющихся вспышек до чаеччтегго режима.

Показано что конструкции ламп с длительностью светового импульса от 50 до 300 мкс, при изменении фактора нагрузки от 0,2 до 0,8, обеспечивают существенное превышение долговечности экспериментальных образцов ламп по сравнению с их серийными аналогами.

По сравнению с отечественными и зарубежными образцами наработка разработанных ламп увеличена более чем на порядок.

Экспериментально и теоретически показана работоспособность ламп СК-03 при различных факторах нагрузки и частоте разрядных импульсов от 1−10 Гц, получена безотказность.

Показано, что при изготовлении ламп использование результатов данной диссертации резко сокращает сроки изготовления и снижает расходы на внедрение.

6. Исследованы физические свойства электродов в работе газоразрядных ламп, а так же влияние и роль газопоглотителей на долговечность и безотказность газоразрядных ламп.

Установлено увеличение долговечности ламп с применением безториевых электродов и высокопористых титановых поглотителей.

7. Предложен оптимальный технологический процесс, от заготовительных до финишных операций, позволяющий значительно сократить трудоемкость изготовления ламп с одновременным повышением их надежности.

8. По совокупности показателей технического уровня лампа СК-03, находится на уровне лучших мировых аналогов (Q=1.015- Qi=0- Q2=+0.12- Q3=-0.037). Рекомендована решением Гензаказчика включить разработанное изделие в группу № 1, перечня изделий, разрешенных для применения в космической технике. Запас по свечиванию 30% и напряжению зажигания 50%.