Вакуумная обработка распыляемых газопоглотителей

В готовом приборе распыленный газопоглотитель («зеркало поглотителя») обычно представляет собой тонкий слой бария, нанесенный на деталь или внутреннюю поверхность оболочки прибора.

Зеркало газопоглотителя образуется в несколько стадий: нагрев газопоглотителя до температуры, при которой происходит полное обезгаживание металлической оболочки (контейнера) газопоглотителя и всех его компонентов; нагрев газопоглотителя до температуры, при которой происходит интенсивная возгонка бария; распыление паров бария на определенный участок прибора (стеклянный купол, алюминированный экран, горловину стеклооболочки и т. д.); конденсация паров бария на поверхности подложки с образованием рыхлой пористой пленки, обладающей большой газопоглощающей способностью.

Газы и пары поглощаются распыляемым газопоглотителем в основном на двух этапах технологического процесса:

в момент его распыления (в парообразном состоянии барий обладает огромной химической активностью и большой сорбционной емкостью по отношению почти ко всем остаточным газам и парам);

после образования зеркала бария (путем сорбции газов и паров, выделяющихся из деталей прибора).

Наиболее интенсивно зеркало бария поглощает ионизированные и диссоциированные газы и пары, образующиеся при тренировке прибора. Газ в атомарном состоянии и в виде ионов прочнее связывается газопоглотителем под воздействием электрических сил сцепления. Кроме того, ионы легче вступают в химическую реакцию с зеркалом газопоглотителя, чем нейтральные атомы.

Превращение нейтральных молекул в атомы и ионы с последующим интенсивным поглощением их зеркалом газопоглотителя (и повышением вакуума в приборе) принято называть жестчением остаточных газов.

Газопоглотитель нагревается индукционными токами высокой частоты (вихревыми токами или токами Фуко) либо постоянным или переменным током, пропускаемым непосредственно через газопоглотитель.

Скорость и продолжительность разогрева газопоглотителя до заданной температуры зависят от следующих факторов: формы контура газопоглотителя, теплопроводности, теплоемкости и электрического сопротивления материалов контейнера и активного вещества, расстояния и расположения высокочастотной катушки относительно контура газопоглотителя, степени соосности геттера и индуктора, силы и частоты тока, числа ампер-витков, степени вакуума и быстроты откачки, экранирования контура газопоглотителя от поля высокочастотной катушки внешними проводящими покрытиями и деталями внутренней арматуры.

Многие из этих факторов определяются качеством выполнения сборочных технологических операций, например ориентировкой и соосностью расположения рамок с газопоглотителями на операциях монтажа арматуры, ориентировкой и соосностью арматуры прибора относительно стенок стеклооболочки при заварке иожки прибора в колбу, кривизной штенгеля относительно тарелочки ножки и расположением оси арматуры прибора относительно катушек высокой частоты на полуавтоматах вакуумной обработки.

Оптимальная температура обезгаживания зависит от состава газопоглотителя. Обезгаживание газопоглотителя рекомендуется проводить при температуре, которая на 50—70°С ниже температуры его распыления. К концу процесса обезгаживания давление в приборе должно снизиться до значения, которое оно имело к началу обезгаживания,— это является признаком полного обезгаживания.

Недостаточное предварительное обезгаживание газопоглотителя приводит к выделению из него газов и паров непосредственно в момент распыления активного вещества газопоглотителя, что может вызвать процессы, уменьшающие долговечность работы прибора: отравление частично проактивированного катода газами и парами, выделяющимися из газопоглотителя; уменьшение запаса активного бария в зеркале газопоглотителя, так как плохо обезгаженный газопоглотитель при распылении частично работает «сам на себя», ухудшение структуры, состава и газопоглощающих свойств зеркала бария, что обусловливается окислением паров бария газами, выделяющимися из плохо обезгаженного газопоглотителя.

Распыление газопоглотителя в принципе может производиться как до отпайки прибора от вакуумной системы, так и в отпаянном приборе.

К недостаткам распыления газопоглотителя до отпайки прибора относится то, что в момент распыления газопоглотителя давление остаточных газов в приборе становится меньше давления остаточных газов в вакуумной системе; в результате происходит обратная диффузия вредных активных газов и паров (хлора, фтора, углеводородов) из вакуумных трубопроводов в прибор. Кроме того, значительная доля активного бариевого зеркала расходуется на поглощение газов и паров, которые должны откачиваться вакуумной системой.

Ввиду указанных недостатков распыление газопоглотителя на практике обычно производится после спаивания прибора с откачной системы.

Иногда распыление газопоглотителя производят в несколько этапов (в конце откачки, после откачки и во время тренировки).

В последнее время рекомендуется распылять геттер во время тренировки прибора. В этом случае на все электроды подаются постоянные напряжения (через специальные буферные сопротивления, предупреждающие возникновение разряда в лампе), происходит отбор тока с катода (в 3—4 раза превышающий номинальное значение) и интенсивная бамбардировка электродов. При этом газы, выделяемые электродами, поглощаются газопоглотителем непосредственно в процессе его распыления. Это резко улучшает вакуум и срок службы катода.

Основными параметрами и характеристиками распыления являются «выход бария», температура, общее и начальное время, а также направленность.

«Выходом бария» принято называть количество чистого свободного бария, которое образуется в газопоглощающем зеркале при распылении газопоглотителя. Выход бария зависит не только от состава и содержания бария в газопоглотителе, но и от температуры, скорости и продолжительности его обезгаживания и распыления.

В современных газопоглотителях реакция образования свободного бария является экзотермической, т. е. протекает с выделением теплоты. Сначала газопоглотитель нагревается за счет подводимой извне теплоты до температуры, соответствующей началу экзотермической реакции (например, для состава «Альбани» эта реакция начинается при Т = 720°С, для состава «Бати» — при ~ 830°С, для состава «Альба» — при «= 1100°С), затем происходит дальнейший самопроизвольный мгновенный разогрев газопоглотителя до Т ~ 1200°С и интенсивное распыление бария за счет выделяющейся внутри газопоглотителя тепловой энергии.

Для характеристики продолжительности процесса распыления газопоглотителя, необходимой для получения требуемого выхода бария, ввиду экзотермичности процесса применяют два параметра: общее и начальное время распыления.

Общее время распыления (общ — время от начала разогрева газопоглотителя до окончания распыления (т. е. время от начала до конца приложения к газопоглотителю энергии от катушки высокой частоты).

Начальное время распыления (нач— время от начала разогрева газопоглотителя до начала его распыления (т. е. до начала экзотермической реакции).

Скорость и продолжительность распыления газопоглотителя оказывают значительное влияние на газопоглощающую способность бариевого зеркала.

Преимущества высокой скорости (малой длительности) распыления газопоглотителя: резкое повышение давления паров бария над распыляемым газопоглотителем; это способствует объединению отдельных частиц бария в крупные агломераты, которые при конденсации образуют рыхлую пористую структуру зеркала с большой сорбционной емкостью; малая вероятность повышения температуры и газовыделения окружающих газопоглотителей деталей и оболочки прибора (предотвращается возможность окисления и лучистого перегрева зеркала бария, растрескивания стеклооболочки и т. д.); малая вероятность перегрева стеклянной подложки, на которую напыляется газопоглотитель и в связи с этим отсутствие «спекания» (уменьшение пористости) зеркала бария.

Недостатки высокой скорости распыления: возможность перегрева и распыления материала контейнера и контура газопоглотителя, что приводит к загрязнению бариевого зеркала и окислению бария; образование проводящих мостиков напыленного металла на изоляторах прибора, что вызывает утечки и пробои.

При распылении газопоглотителя следует придерживаться следующих правил.

• 1. В процессе обезгаживания и распыления газопоглотителя катод должен находиться в нагретом состоянии, тогда на нем не осаждаются газы и пары, выделяющиеся из газопоглотителя.

• 2. Поверхность подложки, на которой образуется зеркало газопоглотителя, должна быть охлаждена до комнатной температуры. Это связано с тем, что при напылении на горячую подложку частицы бария спекаются между собой в сплошной слой со слаборазвитой сорбционной поверхностью и плохим сцеплением с подложкой; кроме того, при пылении на горячую подложку происходит окисление паров бария и ухудшение изоляции между электродами ввиду отражения паров бария от поверхности.

• 3. Толщина зеркала бария должна быть порядка 1 мкм (что соответствует нагрузке порядка 0,3 мг/смЭ. Практически по мере увеличения толщины зеркала повышается температура стеклянной подложки и ухудшается структура бариевого зеркала.

• 4. В процессе распыления газопоглотителя температура контейнера и контура должна быть значительно ниже температуры начала их интенсивного распыления, иначе зеркало газопоглотителя будет загрязнено посторонними материалами. Для этого контейнер и контур должны иметь соответствующую конфигурацию и изготовляться из материалов с большим электрическим сопротивлением, малой теплоемкостью, высокой излучающей способностью, высокой температурой начала интенсивного испарения и иметь незначительную толщину и диаметр.

• 5. Распыление бария должно быть направленным. Для достижения направленности распыления бария создается высокий вакуум в приборе перед распылением и подбираются конструкция и расположение газопоглотителя внутри прибора.

При ненаправленном распылении пленки бария осаждаются на стеклянных, керамических и слюдяных изоляторах, что вызывает межэлектродные пробои и утечки. Пары бария при попадании на изоляторы образуют мостики проводимости, для сжигания которых приходится вводить дополнительную операцию — высоковольтный или высокочастотный прожиг, при этом внутрь прибора выделяется большое количество газов и паров.

• 6. Оболочка с газопоглотителем должна монтироваться по возможности дальше от стеклянной подложки, на которую распыляется барий; тогда предотвращается сильный нагрев стекла и увеличиваются поверхность и пористость зеркала.

В кинескопах барий распыляется непосредственно на алюминированный экран и конус. Это позволяет получить большую поверхность газопоглощающего зеркала. Однако зеркало газопоглотителя на экране не должно быть толстым, иначе будет происходить торможение электронного луча, снижение яркости и будет появляться пятнистое свечение экрана.

• 7. Зеркало бария должно иметь серебристо-черный цвет и ровно очерченные края. К основным дефектам зеркала относятся радужные пятна на зеркале (в результате окисления бария и недостаточного обезгаживания газопоглотителя или распыления газопоглотителя в плохом вакууме); радужные кольца на зеркале (связанные с распылением материала контура или контейнера газопоглотителя); белесые, полупрозрачные края зеркала (этот дефект является признаком плохого вакуума в приборе, он вызывается окислением бария кислородом воздуха и последующим взаимодействием оксида бария с диоксидом углерода); размытые, плохо очерченные края зеркала (обусловленные оплавлением и распылением материала контейнера газопоглотителя и растеканием по нему расплавленного бария).

При впуске в прибор воздуха (или кислорода) цвет бариевого зеркала изменяется. При этом чистое бариевое зеркало образует прозрачную пленку оксида бария или белесый налет карбоната бария; при наличии загрязнений в бариевом зеркале, при контакте с атмосферой на нем появляются темные налеты и пятна. Следует отметить, что карбонат бария имеет склонность к шелушению и Под газопроницаемостью понимают процесс диффузионного проникновения газов из внешней среды в вакуумный объем через оболочку прибора. Газопроницаемость — результат последовательного действия следующих процессов:

сорбции газов из окружающей атмосферы на внешней поверхности оболочки;

диссоциации молекул на атомы и ионы, обладающие большой проникающей способностью;

растворение атомов и ионов в материале оболочки;

диффузии атомов и ионов газа через толщу материалов оболочки к поверхности, обращенной к вакуумному объему.

Интенсивность газопроницаемости зависит от свойств материала и размеров оболочки, разновидности газа, температуры оболочки и давления вне и внутри прибора.

Наибольшей проницаемостью через металлы обладает водород, далее по степени уменьшения проницаемости идут азот и кислород.

Для снижения газопроницаемости рекомендуется места спаев и возможных микродефектов с пониженной вакуумной плотностью покрывать анаэробными герметизирующими составами.

Анаэробные герметизирующие составы содержат полимеризационно-способные соединения, отвердители, пластификаторы, загустители, красители, модификаторы.

Анаэробные составы способны длительное время сохраняться на воздухе в исходном жидком состоянии, однако в отсутствие или при недостатке кислорода они обладают способностью быстро затвердевать с образованием вакуумно-плотного полимера, практически негазопроницаемого для атмосферного воздуха.

Анаэробные жидкости обладают высокой проникающей способностью, поэтому они обеспечивают заполнение и уплотнение всех микродефектов и микротрещин и по мере вытеснения кислорода из микрополостей полимеризуются. Наибольшее применение находит анаэробный герметик «Анатерм-1»— это прозрачная жидкость желтого или коричневого цвета, хорошо растворяется в ацетоне, сохраняет работоспособность при температурах от —193 до +150°С.

Поэтому рекомендуют обрезку горловин при регенерации кинескопов производить в вакуумном гнезде с последующим напуском азота (это предотвращает образование карбоната бария).