Способ нанесения защитного покрытия на внутреннюю поверхность колб газоразрядных ламп

 

Изобретение относится к области светотехники и может быть использовано при изготовлении разрядных оболочек из кварцевого стекла для газоразрядных ламп высокого и низкого давления, в том числе ртутьсодержащих (например, амальгамных), предназначенных для получения ультрафиолетового (УФ) излучения. Техническим результатом является увеличение срока службы ультрафиолетовых газоразрядных ламп за счет создания на всей поверхности колбы тонкой, прозрачной для УФ-излучения, однородной пленки, обладающей высокой механической прочностью, устойчивостью к внутреннему и внешнему термическому воздействию на колбу, надежным сцеплением с кварцевым стеклом. Способ включает в себя нанесение водного раствора нитрата, карбоната или ацетата металла с добавлением полимерного связующего, создающего при отжиге восстановительную среду на внутреннюю поверхность колбы, последующие сушку и отжиг на воздухе при температуре 700-900^oС. В качестве связующего добавляют азотосодержащий водорастворимый полимер в количестве, обеспечивающем вязкость полученного раствора 5-50 сП. 1 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к области светотехники и может быть использовано при изготовлении разрядных оболочек из кварцевого стекла для газоразрядных ламп высокого и низкого давления, в том числе ртутьсодержащих (например, амальгамных), предназначенных для получения ультрафиолетового (УФ) излучения.

Известно, что в процессе работы газоразрядных ламп низкого и высокого давления происходит уменьшение излучаемого ими светового потока. Причина указанного явления заключается в воздействии на материал колбы (как правило, различных по составу стекол или кварца) УФ-излучения, компонентов плазмы и тепловых потоков. Выделяющиеся при этом продукты реакций взаимодействуют с содержащимися в стекле лампы кремнием, а также ртутью, газовыми компонентами плазмы и материалом электродов, в результате чего изменяется как состав газового наполнения колбы, так и коэффициент пропускания кварцевого стекла оболочки лампы. Уменьшение коэффициента пропускания стекла приводит к спаду потока полезного излучения газоразрядных ламп, что сокращает их срок службы до 2000-3000 часов для ламп высокого и 5000-6000 часов для ламп низкого давления.

Согласно существующему уровню техники для решения указанной технической задачи - увеличения ресурса ламп - используют специальные защитные покрытия различных составов, которые наносят на внутреннюю поверхность колб. Роль защитного покрытия сводится к устранению воздействия энергетических потоков и плазмохимических процессов на поверхность материала колбы и снижению возможности загрязнения газовой среды лампы продуктами выделений из стекла и, как следствие, ухудшения его прозрачности излучения и снижения к.п.д. разряда.

Известен способ изготовления разрядных колб из кварцевого стекла для газоразрядных ламп высокого давления и способ изготовления внутренней поверхности колбы для таких ламп (патент США 5924904, 445/58, 1999 г.), согласно которому на внутренней поверхности нагретой колбы химическим осаждением из газовой фазы формируют слои окислов различных металлов или их оксинитридов. Затем производят либо нитрирование нанесенного слоя окисла, либо окисление слоя нитрида металла, либо оксинитрирование слоя металла, в результате чего на внутренней поверхности колбы образуется многослойное покрытие из слоев нитрида и металла. В качестве компонентов покрытия используют окислы таких металлов как алюминий, тантал, ниобий, ванадий, хром, титан, цирконий, гафний, иттрий, скандий, магний, кремний и лантаноидов. Данный способ позволяет увеличить срок службы ламп высокого давления общего назначения, например, предназначенных для общего освещения.

Недостатками такого способа защиты внутренней стенки колбы из кварцевого стекла являются: - непригодность покрытия, полученного указанным способом, для ламп, излучающих в УФ-диапазоне, из-за высокого коэффициента поглощения получаемого слоя оксинитридов металлов для УФ-излучения; - ограничение области применения колбами с небольшими размерами и криволинейной поверхностью в связи с невозможностью нанесения слоя оксинитрида металла на трубчатые колбы, длина которых намного больше их поперечного размера; - обусловленная особенностями способа поликристаллическая структура покрытия, которая не позволяет сформировать однородный и равномерный слой на большой поверхности; - малая прочность получаемых слоев оксинитридов металлов, что приводит к необходимости согласования температурного коэффициента расширения кварцевого стекла с температурным коэффициентом расширения слоя оксинитрида металла путем образования дополнительных промежуточных слоев окислов, нитридов или металлов; - способ может применяться для летучих соединений; сложность и многостадийность формирования оксинитридного защитного слоя.

За прототип предлагаемого изобретения выбран способ нанесения защитного покрытия, реализованный в описании газоразрядной ртутной лампы низкого давления, излучающей в УФ-области, колба которой выполнена из боросиликатного стекла (патент GB 2124019, H 01 J 61/35, 1984 г.).

Защитный слой состоит из окисла металла, выбранного из группы скандия, иттрия, лантана, гадолиния, иттербия и лютеция, и предназначен для предотвращения взаимодействия компонентов плазмы и ртути с щелочными металлами, содержащимися в стекле колбы, что позволяет снизить спад излучения и продлить срок службы лампы.

Способ заключается в нанесении окисла металла на внутреннюю поверхность колбы путем ее полива раствором металлоорганического соединения (например, иттрий ацетил ацетоната) в органическом растворителе (этиленгликоле, моноэтиле), последующей сушке и отжиге при температуре 600^oС до спекания, осуществляемом при продуве потоком воздуха для создания избытка кислорода. Толщина слоя окисла составляет от 5 до 200 нм.

Недостатком способа-прототипа является: - узкая область применения, ограниченная только колбами, изготовленными из боросиликатного стекла, поскольку органический раствор металла плохо фиксируется, например, на кварцевом стекле и скатывается с него; - невысокая механическая прочность защитного слоя и недостаточное сцепление его с подложкой в случае кварцевого стекла, что снижает защитные свойства покрытия; - неоднородность получаемого на кварцевом стекле покрытия, обусловленная его плохой фиксацией; - нечувствительность к дефектам стекла колбы.

Техническая задача, на решение которой направлено патентуемое изобретение, заключается в продлении срока службы ртутьсодержащих УФ газоразрядных ламп. Поставленная задача решается путем создания способа, позволяющего сформировать на внутренней поверхности колб, изготовленных из кварцевого стекла, прозрачное для УФ-излучения покрытие, обладающее улучшенными защитными свойствами.

Технический результат, достигаемый за счет использования данного изобретения, заключается в осуществлении возможности нанесения защитного покрытия на внутреннюю оболочку колб ртутьсодержащих газоразрядных ламп, изготовленных из кварцевого стекла и излучающих в УФ-области спектра, а также в улучшении защитных свойств покрытия, заключающихся в увеличении сцепления покрытия с подложкой, повышении его механической и термической прочности, способности заращивать дефекты стекла.

Сущность изобретения заключается в том, что способ нанесения защитного покрытия на внутреннюю оболочку колб газоразрядных ламп включает в себя нанесение раствора соединения металла на внутреннюю поверхность колбы, последующие сушку и отжиг на воздухе. Покрытие формируется из окислов скандия, иттрия, лантана, гадолиния, иттербия и лютеция.

Согласно изобретению в качестве раствора используют водный раствор нитрата, карбоната или ацетата металла с добавлением полимерного связующего, создающего при отжиге восстановительную среду, отжиг производят на воздухе при температуре 700-900^oС, а в качестве связующего используют водорастворимый азотосодержащий полимер в количестве, обеспечивающем вязкость раствора 5-50 сП. Кроме указанных окислов скандия, иттрия, лантана, гадолиния, иттербия и лютеция дополнительно используют окисел алюминия.

Указанные признаки обеспечивают достижение технического результата по следующим причинам:
- нанесение окисла металла путем осаждения из водного раствора соли соответствующего металла позволяет получить однородную неразрывную аморфную пленку на кварцевом стекле колбы неограниченной длины,
- полимерное связующее создает восстановительную атмосферу, необходимую для образования окисла при последующем отжиге, обладает ориентирующим действием, благодаря которому заращиваются дефекты стекла и обеспечивается надежный контакт с поверхностью колбы;
- отжиг пленки производится с целью восстановления и окисления металла в указанном интервале температур, поскольку при температуре менее 700^oС соли металлов, используемых для покрытия, не разлагаются, а при температуре свыше 900^oС происходит размягчение кварцевого стекла и растворение в нем окисла металла. В отличие от прототипа отжиг не требует обязательного притока воздуха для обогащения кислородом, а производится в естественных условиях.

- кроме того, варьируя вязкость связующего, можно изменять толщину наносимого покрытия, которое должно быть прозрачным для УФ-излучения. Оптимальной для данного типа ламп является толщина, получаемая при вязкости, выбранной из указанного интервала значений, так как при вязкости связующего менее 5 сП раствор не образует пленки, а при вязкости свыше 50 сП формируется не аморфная пленка, а слой поликристаллического вещества, поглощающий УФ-излучение и имеющий низкую теплопроводность, что ведет к перегреву лампы.

Предлагаемый способ изготовления колб для газоразрядных ламп осуществляется следующим образом. Приготовляют водный раствор карбоната, нитрата или ацетата одного из следующих металлов - алюминия (Аl), иттрия (Y) скандия (Sс), лантана (La), гадолиния (Gd), иттербия (Yb) или лютеция (Lu) - например Y(NО₃)₃, Y₂(СО₃)₃, Y(С₂Н₄O₂)₃. В полученный раствор добавляют полимерное связующее до требуемой вязкости раствора 5-50% сП. Полученный раствор наливают на внутреннюю поверхность колбы, на которой образуется тонкая мокрая пленка соли металла. Затем пленку высушивают на воздухе.

При последующей термообработке при температуре 700-900^oС на воздухе в восстановительной среде, обеспечиваемой присутствием связующего, происходит разложение соли на окисел и летучую газовую составляющую, а полимерное связующее сгорает.

Y(NO₃)₃+органическое соединение --> Y₂O₃+NO+CO₂+H₂O
Таким образом, на внутренней поверхности колбы формируется тонкая, прозрачная для УФ-излучения пленка окисла металла, защищающая материал колбы от нежелательных взаимодействий в процессе горения лампы.

Предложенный способ применим для колб любой конфигурации, изготовленных из кварцевого стекла, и позволяет создать на всей поверхности колбы тонкую, прозрачную для УФ-излучения, однородную пленку с улучшенными защитными свойствами, обусловленными ее высокой механической прочностью, устойчивостью к внутреннему и внешнему термическому воздействию на колбу, надежным сцеплением с кварцевым стеклом, а также обладающую свойством заращивать дефекты кварцевого стекла. Кроме того, патентуемый способ обладает простотой и универсальностью.

Далее способ поясняется примерами конкретной реализации.

Пример 1. В водный раствор нитрата иттербия добавляют в качестве связующего полиакриламид до тех пор, пока вязкость раствора не составит η=5 сП. Полученным раствором путем полива покрывают изнутри колбу диаметром 19 мм и длиной 1550 мм из кварцевого стекла, предназначенную для трубчатой бактерицидной лампы. Образовавшуюся мокрую пленку высушивают на воздухе. Затем колбу нагревают снаружи пламенем газовой горелки до температуры 900^oС на воздухе. На внутренней поверхности колбы образуется однородное покрытие окисла иттербия толщиной 400 нм, прозрачное в УФ-области. Колбу с нанесенным по указанному способу покрытием используют для изготовления газоразрядной бактерицидной лампы низкого давления мощностью 300 Вт. Спад излучения для указанной лампы без покрытия составляет 50% за время работы 6,5 тыс. час, в то время как с защитным покрытием спад 50% наступает после работы лампы в течение 14 тыс. час.

Пример 2. Колбу диаметром 30 мм и длиной 400 мм с нанесенным водным раствором из карбоната алюминия с добавлением полиамидокислоты, имеющего вязкость η=30 сП, сушат и отжигают в электрической печи при температуре 800^oС в течение 2 часов на воздухе. Полученную колбу используют для производства ртутных бактерицидных ламп высокого давления мощностью 2 кВт. Защитный слой окисла алюминия обеспечивает увеличение полезного срока службы лампы при спаде излучения 60% с 2-3 тыс. час до 6-8 тыс. час.

Формула изобретения

1. Способ нанесения защитного покрытия на внутреннюю поверхность колб ртутьсодержащих газоразрядных ламп, включающий нанесение раствора соединения металла на внутреннюю поверхность колбы, последующие сушку и отжиг, отличающийся тем, что в качестве раствора используют водный раствор нитрата, карбоната или ацетата металла с добавлением полимерного связующего, создающего при отжиге восстановительную среду, а отжиг производят на воздухе при 700-900°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве связующего добавляют азотосодержащий водорастворимый полимер в количестве, обеспечивающем вязкость полученного раствора 5-50 сП.