Корисна інформація

Ввиду того, что сегодня на рынке присутствует большое количество разнообразных откачных неоновых систем, я бы хотел объяснить их основные характеристики для сравнения их модификаций. Я бы не хотел давать в этой статье точные научные описания феномена, происходящего в производстве неоновых ламп и тесно связанного с вакуумной технологией, но объяснить людям, которые не обязательно должны иметь глубокие научные или технические знания, основы перехода из обычной среды атмосферного давления в особую среду вакуума, где привычные взгляды опробованные на практике уже не действуют.

Поэтому прошу меня простить за излишнюю простоту.

Неоновые откачные системы могут оцениваться по следующим аспектам: Используемые материалы, сама схема системы, эксплутационные качества компонентов, простота сборки - разборки и обслуживания, возможность автоматизации, сертификаты качества и процесс контроля.

МАТЕРИАЛЫ

Стекло или металл.
Стекло было первым материалом, используемым при создании вакуума. Стекло имеет низкую пористость, не пропускает газ, его легко чистить, оно имеет высокую устойчивость к химическим воздействиям (особенно боросиликатное стекло, также называемое Пирекс). Стекло - хороший диэлектрик. Стекло также может быть легко и без особых затрат согнуто в любую форму. В добавление к этому, стекло - это привычный материал для стеклодува. По всем этим причинам неоновые манифольды изготавливались полностью из стекла (за исключением механического насоса) много десятилетий. Клапаны делались с двумя проходными конусными отверстиями («пробковые»), были зашлифованы и смазаны. Такие клапаны были очень хрупкими, особенно когда внутренний вакуум сильно прижимал конусы один к другому. По этой причине, в Западной Европе от стекла отказались, и в течение шестидесятых - восьмидесятых годов пользовались металлами, такими как медь, латунь, алюминий, сталь и, особенно, нержавеющая сталь. Была создана специальная резина с экстремально низкими характеристиками пропускания газа, которая стала применяться для соединений между металлическим частями. «Бразильская резина» (для среднего вакуума), «Витон» и «Тефлон» для высокого и ультра высокого вакуума, стали стандартами в вакуумной технологии. Были введены международные стандарты для фланцевых соединений, для того чтобы насосы, инструменты, измерительные приборы и трубки легко устанавливались.

В последние годы использование стекла становилось все более и более удобным. Новые пластики, которые использовались в комбинации с нержавеющей сталью, могли также успешно использоваться и в комбинации со стеклом. Стеклянный клапан, который теперь имеет тефлоновую втулку и витоновое уплотнительное кольцо, уже никогда не разобьется при нормальном производственном процессе. Стеклянные фланцы превосходно отвечают международным стандартам для вакуумных откачных систем. Единственный недостаток стекла - это его хрупкость, но оно имеет длинный список преимуществ:

• Стекло прозрачно и показывает, когда его внутренние стенки загрязнены (нагревание ламп под вакуумом и процесс бомбардинга постоянно производят испарения загрязнений, которые конденсируются на остывшем манифольде).

• Пористость поверхности низкая и, как следствие, абсорбция тоже низкая - поэтому загрязнения легко удаляются.

• Дегазация очень низка, что делает время откачки короче.

• Стекло в охлажденном состоянии - диэлектрик, что уменьшает случаи электрических разрядов по направлению к насосу через манифольд, и безопаснее в присутствии токов от бомбардера (если заземление безукоризненно, металл также безопасен). См. рис. 1.

• Стекло, особенно боросиликатное, химически инертно.

• Стекло - это привычный материал для стеклодувов.

• Для неоновых цехов легче и дешевле найти возможную утечку в манифольде. В металлическом манифольде невозможно использовать для этих целей течеискатель на высокочастотных катушках (стандартный течеискатель, используемый в каждой откачной системе); в этом случае нужен очень дорогой гелиевый течеискатель. Это принуждает изготовителя вывесок звонить и платить специализированным компаниям.

• Стеклянные клапаны и соединения обычно дешевле.

Рис.1 В середине лампы напряжение стремится к нулю. Это дальше, чем заземленная часть манифольда, где напряжение также равно нулю. Таким образом, разряд выбирает более короткий путь к нулю и идет от манифольда вместо лампы. Чтобы избежать этого, можно посоветовать соединять с проводом более близкий электрод к земле, или бомбардировать два отдаленных электрода одновременно (если трансформатор может обеспечить достаточное напряжение), так что два электрода будут получать высокое напряжение и два электрода со штенгелем, подсоединенные к манифольду, будут иметь напряжение около нуля (если лампы имеют одинаковую длину)

Пластики и резина

Как уже говорилось выше, использование пластиков и резины обеспечивает очень легкое и плотное соединение в вакуумной системе. Но, поскольку многие из таких материалов пропускают газ при низком давлении, их надо отбирать очень осторожно.

Такие материалы, как тефлон имеют очень низкую газо-пропускную способность, почти такую же, как стекло. Тефлон также очень устойчив к химическим воздействиям. По этим причинам, а также по причине его гибкости тефлоновые трубки используются вместо стекла или нержавеющей стали в лабораториях, где необходимо получать ультравысокий вакуум. В современных стеклянных клапанах также применяются тефлоновые втулки. Уплотнительные кольца для соединений в манифольде делаются из «Витона», специальной резины, созданной для этих целей.

Трубки из «Бразильской резины» подходят до давления 0,01 мбар (например, для соединений в ротационном насосе). При более низком давлении, которое производится диффузионным насосом, такая резина начинает пропускать газ, и не должна использоваться. Материал, такой как силикон, имеет очень высокую газо-пропускную способность и вообще не должен использоваться.

Таким образом, мы должны принять, как основное правило, что используемые материалы должны быть подходящими для вакуума, создаваемого насосами. Используя насос с высоким последним вакуумом и применяя при этом материалы, пропускающие газ, мы можем причинить даже больше вреда лампам, чем если бы мы использовали слабый насос, обеспечивающий невысокий вакуум. Относительно слабый насос будет оставлять частицы воздуха, которые обычно ведут себя инертно, (если этих частиц не слишком много); материалы же, пропускающие газ (такие как пластики и резина), а также масло и смазки могут создавать «шнурование» в трубках или пятна на стенках, или разрушать электроды…

В заключение, принцип, который мы должны помнить: насколько высокий вакуум мы хотим получить, настолько тщательно мы должны отбирать материалы для этого.

Смазки и масла

Также как и в случае с пластиками и резиной, мы должны заботиться о характеристиках масел и смазок, когда они находятся в условиях вакуума. Для ротационного насоса масло должно иметь подходящую вязкость, указанную производителем насоса, а также напряжение пара (характеристика, связывающая давление и температуру), которое должно быть ниже, чем предельный вакуум, создаваемый насосом при его рабочей температуре. Это значит на практике, что масло не должно создавать пары в условиях вакуума, производимого насосом. Стеклянные клапаны и запорные краны старого образца требовали частой смазки двойных конусов силиконом. Клапаны и крепежи нового образца обеспечивают идеально плотное соединение без смазки, а очень легкая смазка уплотнительных колец (O-ring) защищает их.

Диффузионный насос в неоновом производстве использует силиконовое масло как пропеллер (при низком давлении и подходящей температуре масло создает сильную струю паров, которая немедленно конденсируется, и возвращаются в нагревающий резервуар). Используемые масла могут отличаться по плотности, вязкости, температуре кипения, а также значениям предельного вакуума, достигаемого с их помощью. Масла, которые имеют более низкую температуру кипения, начинают работать при более высоком давлении и достигают более низкого предельного вакуума.

Конструкция манифольда

Неоновый манифольд будет вам служить долгое время, и он должен не только производить хороший неон, но также в нем должна быть предусмотрена возможность следовать изменениям, которые могут произойти в будущем, новым технологиям, изменяющемуся спросу на рынке. Поэтому в нем должна иметься возможность производить трубки всех возможных размеров, заполнять их различными редкими газами и смесями, он должен легко обслуживаться, а также позволять вводить автоматический контроль.

Предельный вакуум и скорость откачки

Для того чтобы правильно описать эти фундаментальные параметры очень важно иметь базовое представление о том, что такое процесс производства неоновой лампы и какие физические законы при этом работают.

Неоновая трубка нагревается внутренним электрическим разрядом в воздухе при низком давлении (2-8 мбар). Комбинация нагревания, излучения, бомбардирования ионами и низкого давления позволяет вытолкнуть загрязнения, находящиеся на внутренних стенках трубки или на люминофорной пудре, и откачать их. Без этой «промывки» лампа не сможет работать больше чем несколько минут.

В добавление к этому, другая особенность сопровождает процесс бомбардинга: активация электродов. Внутренняя поверхность оболочки электрода покрыта слоем химического соединения и должна произойти реакция, освобождающая оксиды Бария или Стронция или Кальция. Только после этой правильно прошедшей химической реакции электроды смогут работать при той силе тока, для которого были произведены.

Для того чтобы выполнить эту двойную задачу, необходимо контролировать давление и ток внутри ламп с помощью измерительных приборов. Если давление или ток не подходящие, лампы могут быть серьезно повреждены и быстро выйдут из строя. Хорошо сделанные неоновые лампы работают десять лет и даже больше в режиме постоянного горения, но это в первую очередь зависит от условий процесса бомбардинга.

После того как процесс выделения загрязнений завершен путем комбинированного эффекта от энергетических форм проводимого тепла, излученного тепла, и от количества излучений создаваемых электрическим разрядом, а также низкого давления, их необходимо откачать так быстро, как это возможно и так много, как это возможно, до того как лампа остынет. Загрязнения, которые останутся в трубке, когда она остынет до температуры окружающей среды, сконденсируются на стенках трубки и будут абсорбированы снова. Таким образом, вакуумная система имеет ограниченное время для откачки.

Это значит, что только определенная степень вакуума может быть достигнута в течение этого периода, после чего лампа должна быть немедленно заполнена редким газом и запаяна. Это также значит, что бесполезно поставлять оборудование, позволяющее достичь более высокого вакуума . Давайте посмотрим почему (см. рис.2) : Когда газ сжат, как в атмосфере, он стремится занять все пустое пространство, и, когда работает насос, постоянно создаются пустые места. На картинке слева, все атомы двигаются по направлению к узкому отверстию маленькой стеклянной трубочки соединяющей лампу и манифольд. Каждый одиночный атом может двигаться только в том направлении, в котором двигаются все окружающие его атомы. Для одного атома невозможно двигаться против течения всей массы воздуха направляющейся в пустой резервуар. За несколько секунд 99% воздуха будет перекачано в насос. Но затем ситуация меняется все ближе и ближе к ситуации на картинке справа. При очень низком давлении, примерно таким, которое нужно, для того чтобы очистить трубку, атомы уже двигаются свободно во всех направлениях и могут найти выход только случайно, и также случайно проходить через этот выход в насос. Значит, при этих условиях, скорость откачки уже не зависит от значения предельного вакуума, но главным образом зависит от геометрии системы. Прямая трубка с широким отверстием соединяющая лампу с манифольдом могла бы обеспечит более быструю откачку, но мы не можем увеличить ее в секции соединения трубки, потому что тогда станет крайне трудно отпаять лампу от манифольда, когда процесс будет завершен. Когда она будет плавиться в огне горелки, широкое горлышко трубки разрушится под действием внешнего давления, а затем треснет, потому что будет аккумулировать внутреннее напряжение.


Рис.2 Слева: схема неоновой трубки соединенной с манифольдом перед откачкой. Справа: Ситуация в конце откачки. Атомы изображены кружочками.

В действительности, скорость достижения высокого вакуума соотноситься в соответствии с сечением отверстия. Так, на конечной стадии откачки, длина и диаметр соединяющей трубки будет определять скорость создания вакуума в лампе, и не имеет значение, при этом как быстро работает наш насос. На практике, наша система имеет возможность повышать скорость откачки до значения давления около 0,05 мбар.

Если сеть насосов может производить более высокий вакуум, этот вакуум будет создан внутри ламп только со временем. Чем более высокий вакуум мы хотим получить, тем дольше, в экспоненциальной зависимости будет время, которое мы будем должны ждать. На практике, вакуум в лампах до 0,001 мбар это предел. Наши измерительные приборы, установленные на манифольде обычным способом, просто не смогут прочитать давление в лампе меньшее этого значения.

Промывка Гелием

Анализ, проведенный выше, поможет нам понять неоценимую помощь, которую может дать гелий в промывке неоновых трубок. Гелий – один из пяти благородных газов, химически инертный. Его атомы самые маленькие после атомов водорода. Если после бомбардинга, когда давление в лампах достигнуто до 0,1 мбар, можно впустить немного гелия, тем самым, смешав этот газ с оставшимися загрязнениями и откачать их вместе. То, что останется трубке в конце процесса, будет состоять в основном из гелия, а редкий газ не причинит никакого вреда лампам. Другими словами, гелий можно использовать как промывочный газ.

Гелий имеет несколько интересных характеристик:

* Его высокий потенциал ионизации делает электрический разряд сквозь этот газ очень горячим, и стекло легко нагревается.

* Катоды бомбардируются легкими позитивными ионами гелия, и остаются более холодными в течение возможного вторичного бомбардинга, когда уже активированные электроды уже не нуждаются в нагреве.

* Хорошо сконструированная откачная система должна обеспечивать возможность подачи этого газа, чтобы можно было получать выгоду от его позитивных качеств.

Активация электродов

Химическая реакция, которая сжигает первичное покрытие электродной оболочки, имеет место при высокой температуре (около 900° С) при бомбардировке катода ионами. То, что осталось после прожига, это смесь из оксидов Бария, Стронция и Кальция, которая и является эффективной активной поверхностью электрода. Тонкий слой этих оксидов очень важен для работы активированного электрода. Это значит, что должен соблюдаться тщательный контроль давления в течение последней стадии бомбардинга, когда оболочки электродов достигают нужной температуры. В этот критический момент сильный электрический разряд в комбинации со слишком низким давлением может спровоцировать полной испарение активной массы. В этом случае электрод будет работать как неактивированный, и не будет выдерживать ток, для которого был изготовлен. Жизнь лампы с такими электродами будет очень короткой.

Насос.

Цель работы насоса, соединенного с манифольдом - обеспечение предельного вакуума нужной степени и максимальной скорости его получения в определенных интервалах давления между 1 мбар и немного ниже чем 0,001 мбар, т.е., тем давлением, которое мы можем достичь в трубке, пока она не остыла. Как мы уже видели, давление ниже чем 0,00001 мбар )1х10-5 нецелесообразно и не может дать никакой выгоды. С другой стороны, окончательное давление, которое не может опускаться ниже, чем 0,001 мбар, приемлемо для неоновых ламп в большинстве ситуаций, но может стать критичным в ситуациях с длинными лампами, или лампами большого и маленького (6 –7 мм) диаметра. Скорость откачки значительно понижается при достижении конечного давления, и это может случиться именно в тот момент, когда нам необходима максимальная скорость откачки. В дополнение, работа механических насосов становится хуже, когда они и масло, на котором они работают, стареют. По этим причинам хорошо сконструированная откачная система должна включать в себя насос для вторичного вакуума.

Первичный насос.

Двухступенчатый ротационный насос может создавать конечный вакуум около 0,005 мбар, и его скорость зависит от размера его камер. Увеличивая размеры насоса, для того чтобы избежать установки вторичного насоса, могло показаться разумным, но тогда будет намного сложнее и опаснее контролировать скорость откачки на более высоких давлениях, (около 1 мбар), когда бомбардировка завершается, и идет прожиг электродов (только если не вводить специальный клапан, контролирующий поток воздуха из лампы). Но тогда скорость откачки будет снижена, и мы получим противоречивую конструкцию. Становится понятным, что оптимальная конструкция системы должна включать в себя два способа: один для давления при бомбардинге, с хорошим контролем скорости откачки, и другой для высокого вакуума, который достигается после бомбардинга, пока трубки остывают, и требуется максимально возможная проходимость. Двухступенчатый роторный насос со скоростью откачки около 5 м3/ч (при атмосферном давлении) был бы идеальным ротационным насосом. Такая машина способна откачивать до давления, достигаемого при бомбардинге 4 лампы длиной в 3 метра и диаметром 25 мм за 15 секунд!

Современный роторный насос включает в себя блокирующую систему или клапан. Без него, масло в насосе будет вытолкнуто атмосферным давлением в освобожденный манифольд, когда насос будет выключен. Если используется насос старого образца, следует установить автоматический клапан на открытый выход насоса, для того чтобы позволить воздуху попасть внутрь трубки соединенной с манифольдом.

Вторичный насос высокого вакуума.

С насосом высокого вакуума мы должны осознавать тот факт, что предельный вакуум может варьироваться в зависимости от типа насоса, и скорость откачки в основном зависит от сечения выходного соединения. Обычно, все насосы высокого вакуума имеют большие размеры, чем нужно, для откачки воздуха через узкую выходную трубку. Выбор насоса может быть среди трех типов:

1. Диффузионный паромасляный насос. В семейство этих насосов применяется специальное силиконовое масло, работающее как мотор (от ртути полностью отказались, из-за высокой токсичности этого металла). Масло нагревается до температуры между 160 и 180°С (в зависимости от выбранного типа масла), где его кипение происходит при давлении около 0,05 мбар. Температура кипения зависит от типа выбранного масла. График на рис.3 показывает, что при давлении, когда нам необходима наивысшая скорость, скорость откачки диффузионного насоса является довольно низкой (смотри разрыв между ниспадающей синей кривой первичного насоса и восходящей красной кривой). По этой причине, важно помнить, что только правильно установленный и обслуживаемый насос полностью раскроет свои возможности. Обычно, при помощи масла, кипящего при более высокой температуре, можно достичь более высокого предельного вакуума, но при этом ему также требуется более низкое давление для того, чтобы оно начало работать, но это не является предпочтительным в нашей ситуации. Силиконовые масла лучше всего противостоят окислению, и среди них мы можем найти типы, которые начнут работать при более высоком давлении, что более применимо к нашей работе.

Из-за относительно низкой цены и простого обслуживания диффузионные насосы широко применяются в неоновой индустрии. В научных лабораториях, напротив, диффузионные насосы применяются меньше, и заменяются молекулярными. На рынке присутствуют как металлические, так и стеклянные диффузионные насосы. Вакуумная индустрия предлагает широкую серию трехступенчатых диффузионных насосов, которые обеспечивают более высокий вакуум, чем одноступенчатые, которые представлены на рис.3 , но их достоинства бесполезны для нас. Скорость откачки трехступенчатых насосов остается такой же, поскольку наши лампы абсолютно зависят от размера соединяющей выходной трубки. Металлические диффузионные насосы, для того чтобы они работали наилучшим образом, требуют охлаждения водой и обдувания холодным воздухом. Одноступенчатый стеклянный диффузионный насос имеет более простую конструкцию, больше свободного пространства для охлаждения, и идеально конденсирует масло, (он понижает возможный обратный поток масла), и не требует ни охлаждения водой, ни обдувания воздухом. Важным аспектом в масляном диффузионном насосе является контроль над энергией обеспечивающей кипение масла.

Как у любого кипящего материала, температура кипения зависит от давления, и масло будет защищено от перегрева, если будет постоянно оставаться под вакуумом. Таким образом, если нагреватель даст слишком много энергии, это спровоцирует чрезмерное паровыделение. Эти пары будут конденсироваться слишком поздно, и насос не будет работать эффективно. Электронный терморегулятор, который получает информацию от термопары, соединенной с масляным резервуаром диффузионного насоса, может гарантировать прекрасное равновесие и наивысшую эффективность. Он также будет подстраивать энергию, даваемую нагревателем, к колебаниям окружающей среды.

2. Молекулярный насос.

Эти насосы имеют некий тип пропеллера, или ротора, вращающегося на очень высокой скорости и контролируемые сложной электронной цепью. Среди них мы можем выделить три семейства: «Турбо-молекулярные» насосы, «Гибрид турбо молекулярного и втягивающего насоса» и Молекулярный «втягивающий насос». На рис.3 показано, что турбо молекулярный насос начинает откачку самым последним, и, как следствие, не является предпочтительным в неоновой откачной системе. «Гибрид турбо молекулярного и втягивающий насоса» и Молекулярный «втягивающий насос», особенно последний, являются очень подходящими. По сравнению с диффузионным насосом они начинают работать быстрее при более высоком давлении и понижают возможность загрязнения обратным течением масла.

Из-за их сложной механики и очень высокой скорости ротации, молекулярные насосы могут быть разрушены, если маленькая твердая частичка (камешек) попадет в его ротор. Должен быть установлен специальный фильтр, чтобы защитить эту машину. Регулярное обслуживание и смазка подшипников также являются необходимыми. Относительно низкая скорость вращения, с этой точки зрения, делает втягивающий насос менее проблематичным.

Рис.3 Сравнение скоростей откачки различных типов насосов относительно их максимальной способности и давления в вакуумной системе.

Соединение вторичного насоса высокого вакуума.

В случае, если установлен молекулярный насос высокого вакуума, манифольд должен быть сконструирован таким образом, чтобы избежать воздействия резкого впуска воздуха атмосферного давления на молекулярный насос. Это серьезно повредит механике высокой ротационной скорости. Особенно в случае с турбо молекулярным насосом, должна быть установлена автоматическая система для предотвращения открытия впускных и выпускных клапанов, если давление в манифольде ниже определенного уровня. Втягивающий насос, скорость ротации которого более низкая, и у него более сильная механика, может простить некоторое количество ошибок, сделанное оператором.

Диффузионный насос, мотором которого является масло, не имеет таких проблем. Но постоянный проход воздуха атмосферного давления закончится окислением масла и абсорбцией большего количества грязных испарений. Это понизит скорость откачки, и будет требовать более частой замены масла. Схема манифольда, показанная ниже, возможно, снизит стоимость системы, но не даст лучшего воплощения для диффузионного насоса. Весь воздух и загрязнения, содержащиеся в лампах, пойдут через диффузионный насос. Здесь не обеспечены два отдельных прохода для давления достигаемого при бомбардинге и для высокого вакуума. Оператор поддерживал бы клапан «S» слегка в открытом состоянии только пока откачиваются лампы, и управлял бы клапаном «В», для контроля давление, таким образом, он избежал бы слишком низкого давления при бомбардинге, которое повредило бы электродам. Затем, для того чтобы получить высокий вакуум, оператору следует полностью открыть оба клапана «S» и «В». Два альтернативных подвода к лампам позволили бы оператору подсоединить следующий комплект ламп, в то время, как предыдущие отбомбардированы и остывают, если в неоновом цехе имеется достаточно места.


Рис. 4 Откачная система с одним откачным путем.

Следующая схема представляет усовершенствованный манифольд, поскольку он снабжен отдельными клапанами и дополнительным роторным насосом, подсоединенным к диффузионному насосу высокого вакуума, который будет защищен от атмосферного давления. Здесь можно установить молекулярный насос вместо диффузионного, тогда как молекулярный насос на предыдущей схеме был бы быстро разрушен постоянным потоком воздуха.

Проход с клапаном «В» или сам клапан, должен быть уменьшен в размерах, или иметь точную регулировку потока воздуха, для того чтобы регулировать давление при бомбардинге. К сожалению, большинство продаваемых манифольдов не имеют этих характеристик, и на эту позицию устанавливаются большие дорогие клапаны. С маленьким клапаном они бы стоили меньше, и работали лучше. Эти две схемы манифольдов, в основном, поставляются американскими компаниями.


Рис. 5: Вакуумная система с двумя путями откачки (два роторных насоса)

В Западной Европе традиционной является схема на рис.6

Рис. 6: Вакуумная система с обходным клапаном

Эта схема, позволяющая очень простым образом избежать установки второго роторного насоса, полностью передает производство вакуума вторичному высоковакуумному насосу. Устанавливая клапан «F» мы можем соединить манифольд с первичным насосом двумя разными способами:

- Через высоковакуумный насос, открывая клапаны «Н» и «F»;

- Через клапан «В» , обходя высоковакуумный насос, который будет всегда под высоким вакуумом, имея закрытыми клапаны «Н» и «F»

Следующая схема (рис.7) показывает усовершенствованную традиционную вакуумную систему западной Европы и является моей любимой.

Рис.7 Вакуумная система с обходным клапаном, вакуумным резервуаром, и разделительным клапаном

Как вы можете видеть, усовершенствования состоят:

• В дополнительной подаче газа для гелия

• В разделительном клапане «S», который расположен после входа (идущего от ламп) и после стеклянного переходника с обходным клапаном «В» (тогда как в американской схеме он расположен до него)

• Вакуумный резервуар с открытым входом от диффузионного насоса.

Функции разделительного клапана «S»

Функцией клапана «S» на этой схеме (рис.7) является постоянная поддержка под вакуумом всего манифольда. Когда присоединяются лампы, клапан «S» должен быть закрыт вместе со всеми другим клапанами, кроме клапана «А», затем закрывается «А» и открывается клапан «В». После этого лампы будут откачаны примерно до 1 мбар ( изменившейся звук ротационного насоса сообщит оператору, что в трубках уже достаточно вакуума). Только после этого клапан «S» будет открыт и вакуумметром будет показывать давление в течение процесса бомбардинга и последующей откачки до более высокого вакуума. То, что мы не подвергаем манифольд атмосферному давлению, дает нам два преимущества:

1) Мы избегаем абсорбции воздуха, содержащего загрязнения, на внутренних поверхностях манифольда, тем самым повышая скорость откачки.

2) Избегаем риска причинения вреда измерительным приборам, потому что головкой измерительного прибора, например «Пирани», является раскаленная металлическая спираль, которая окисляется под действием атмосферного воздуха, что приводит к искажению данных.

Функция вакуумного резервуара

состоит в том, чтобы постоянно обеспечивать диффузионный насос достаточным вакуумом, для того чтобы он работал с наибольшей скоростью. После бомбардинга, в течение нескольких секунд давление должно опуститься примерно до 0,1 мбар. Поскольку вакуумный резервуар имеет большой объем, открывая клапаны «Н» и «F» давление почти мгновенно упадет до 0,03 мбар, что является давлением, которое достигнет диффузионный насос при своей максимальной скорости. Это способ устранить промежуток между синей и красной линией на рис.3. Если установлен втягивающий насос или гибрид турбо молекулярного и втягивающего насоса, наличие вакуумного резервуара уже не так важно.


Рис. 8. Форбаллон (резервуар) для вакуума.

Система подачи инертных газов

Использование инертных газов это тема для обсуждения: В мире существуют разные варианты выбора инертных газов и их смесей, например, смесь с аргоном может содержать различные процентные соотношения Неона и Аргона, а также части Криптона или гелия для того чтобы лучше адаптировать лампы к разным климатическим условиям, или внешней или интерьерной установки, а также Криптона или Ксенона, или смеси, содержащие эти газы, используются для достижения эффекта димминга, или особых цветов, или чтобы избежать использования ртути. Существуют разные варианты газов в баллонах позволяющие контролировать их поток через манифольд к трубкам.

Традиционные газовые баллоны

содержат 1,25 или 2,5 литра газа при атмосферном давлении и полностью устарели. Они имеют серьезные недостатки: стоимость газа сама по себе становится очень дорогой из-за работы, которую надо сделать, чтобы изготовить стеклянный баллон, очистить и откачать оттуда воздух, заполнить и запаять. И все это только ради 1,25 литров! Другой недостаток, это то, что невозможно удалять или устанавливать такие баллоны, для того чтобы смешивать газы, без потерь их содержимого. Такие баллоны требуют установки на манифольд пары стеклянных клапанов или одного игольчатого клапана.

Тяжелые металлические баллоны под высоким давлением (от 50 до 150 бар)

Такие баллоны наиболее экономичны при больших объемах производства. Они требуют определенных начальных инвестиций для самих баллонов под высоким давлением и для специального редуктора давления предусмотренного для работы с вакуумом. Такая система не может позволить легко, быстро и дешево взаимозаменять разные газы и смеси. Перевозка и хранение баллонов этого типа требуют особых условий из-за опасности, обусловленной высоким давлением. Эта система также требует установки игольчатого клапана для контроля потока газа в манифольд.

Металлические легкие баллоны под давлением не выше 12 мбар.

По сравнению с газом в стеклянных баллонах, стоимость газа в легких металлических баллонах сильно понижается, примерно в 4 раза. Такие баллоны позволяют делать легкую и недорогую взаимозамену: баллон можно снять и заменить в течение минуты без потери газа. Не требуется никаких инвестиций для покупки баллонов и подсоединения их к манифольду. Простой и дешевый игольчатый клапан выполняет двойную функцию: герметичное соединение баллона и точный контроль потока газа при заполнении ламп, когда он открывается.


Рис.9. Газовый баллон на 12 л.

Измерительные приборы

Три параметра должны быть под постоянным контролем во время бомбардинга:

Давление

Существуют различные типы электронных измерительных приборов с различными степенями точности. Каталоги ведущих компаний, продающих вакуумное оборудование, предлагают большой выбор. Главным является то, что прибор должен давать одинаковые показания по абсолютному давлению для различных газов. Фактически этот прибор будет также использоваться для измерения давления редких газов в лампе. Механический капсюльный прибор очень практичный и надежный, но не очень точный (погрешность около +-10%). Все приборы такого типа, особенно электронные, должны регулярно проверяться и обслуживаться. Неправильные показания давления редких газов в лампе могут привести к огромному ущербу надежности ламп. Неоновый цех, в котором неправильно измеряют давление газа в трубках, будет производить некачественные лампы, и очевидный результат будет заметен только через полгода. Это повредит не только компании-производителю, но и имиджу неоновой рекламы в целом. Неправильно заполненные неоновые лампы будут работать в течение недель или месяцев, вместо десятилетий.

Более традиционный способ контролировать давление при бомбардинге и заполнении газом ламп, это «U»-образные ртутные или масляные манометры. Огромное преимущество манометров этого типа в том, что их показания не могут быть неверными! Недостаток «U»-образного манометра состоит в том, что этот манометр имеет клапан, который открывается перед попаданием атмосферного давления в манифольд, и закрывается, когда необходимый вакуум будет достигнут. Если используется разделительный клапан «S» (см. рис.7) эта операция становится бесполезной, поскольку функция «S»- это избегать атмосферного давления в манифольде.

В случае использования автоматической откачной системы, традиционные «U»-образные манометры использоваться не могут, потому что они не могут посылать электрические или цифровые сигналы. Но, даже в этом случае, было бы полезно использовать эти приборы для сравнительного контроля над электронными манометрами.

Ток в лампах

Контролировать ток, проходящий через лампы во время бомбардинга очень важно, потому что тепло, передаваемое стеклянным стенкам трубок и электродам, зависит не только от давления и качества газов, но также и от интенсивности тока. Стандартный миллиамперметр может быть соединен в одну цепь с лампами, но в этом случае он должен располагаться на безопасном расстоянии от оператора. Если в конструкцию манифольда уже включен миллиамперметр, то там должен быть предусмотрен специальный электрический контур, для того, чтобы понижать напряжение от вторичной обмотки бомбардера и сохранить безопасно низкое напряжение.

Температура ламп.

Лампы во время бомбардинга должны достичь температуры, как минимум 220°С. Для контроля этого параметра, является общим решением термопара. Она также должна устанавливаться на безопасном расстоянии от оператора. Отрицательная сторона этого прибора состоит в том, что клемма, обеспечивающая контакт между термопарой и лампами, забирает определенное количество тепла в то же время, когда она измеряет температуру. Поэтому ее показания немного меньше чем на самом деле. Количество этого тепла зависят от размера клеммы от используемых материалов.

Инфракрасный термометр также очень удобен и может измерять температуру без соприкосновения со стеклом.

Я видел много операторов, которые откачивают лампы, не проверяя температуру стекла. Это большая ошибка, учитывая то, что простой кусочек бумаги дает довольно точную информацию о температуре: бумага становится коричневой при 180°С, чернеет примерно при 220°С и горит около 300°С. Очень надежно и дешево, почему же не использовать это?

Другие приборы

Типичный манометр «Пирани» не может измерять давление наполнения, поскольку его показания зависят от природы газа. Таким образом, его функция заключается в том, чтобы давать показания, позволяющие определить степень герметичности вакуумной системы, включая лампы и сеть насосов. Он позволяет измерить давление до 0,0001 мбар.

Вольтметр, измеряя вторичное напряжение в производимых лампах, может указать на состав газов и паров, проходящих через трубку. Например, если в трубке присутствуют следы ртути, напряжение необходимое для определенной длины, диаметра, а также давления в трубке снизится.

Соединения

Использование современных вакуумных соединений позволяют создать сборно-разборную конструкцию манифольда. Хорошо сконструированный манифольд должен легко и быстро разбираться. Это очень важно, потому что регулярная промывка откачной системы имеет первостепенное значение для качества ламп. В неоновых манифольдах используются два типа соединений:

Уплотнительные кольца

Витоновое уплотнительное кольцо располагается между трубкой и навинчиваемым на нее колпачком. Навинчивание колпачка на трубку прижимает уплотнительное кольцо к подведенной трубке меньшего диаметра. В случае если диаметр меньшей трубки превышает 7 мм, следует предусмотреть средства для предотвращения вдавливания данной трубки в трубку большего диаметра внешним давлением.

Фланцы

Центрированное уплотнительное кольцо сжимается между двумя фланцами. При этом типе соединений диаметр трубок может быть одинаковым. Манифольд имеющий фланцевые соединения является более прочным и точным. Его сборка и разборка также является более простой и удобной. Фланцевые соединения отвечают международным стандартам и являются более подходящими для соединения измерительных приборов и насосов.

Рис.10 и 10а. Стеклянные и металлические соединения.

Клапаны

В вышеприведенной схеме показаны клапаны с различными функциями: Клапаны «В» регулируют давление при бомбардинге и обеспечивают плавное и постепенное открытие для предотвращения нежелаемого выброса ртути и фосфорного покрытия. Как описано выше, в двух первых схемах это может быть достигнуто совмещением работы клапанов «В» и «S». Также в этих целях могут использоваться ограничения пропускной способности проводящей трубки.

Клапан «А» (впуск воздуха) также должен обеспечивать плавное и постепенное открытие. Клапаны «Н» и «F» должны открываться и закрываться быстро и широко. Они также не должны ограничивать пропускную способность проводящей трубки высокого вакуума для обеспечения максимальной откачки.

Клапаны могут быть изготовлены из металла или стекла (как правило, боросиликатного).


Рис.11. Стеклянные клапаны. Версия справа показывает открытие как минимум на тот же диаметр трубки.

Рис.12. Пневматические активаторы.

Бомбардер

Этот трансформатор должен обеспечивать достаточное напряжение и большую силу тока на длину лампы содержащей несколько мбар воздуха. 18 или 20 кВ при 700 мА достаточно для изготовления двух ламп длиной по 3 метра с диаметром 25 мм. Трансформатор должен иметь точную регулировку для настройки мощности к различным вариантам длины и диаметров. Существует много опций, например, магнитные чоки, большие регулируемые трансформаторы (вариаки), электронные диммеры Последние являются наиболее подходящими для использования с автоматическими системами управления.

Безопасность

Высокое напряжение и сила тока, создаваемые бомбардерами, являются крайне опасными. Все металлические части должны быть заземлены. Следует установить средства для предотвращения случайного контакта с частями тела. Это может быть сделано с помощью физических ограничителей или с помощью барьеров на фотоэлеменах с автоматическим отключением питания трансформатора при их пересечении. Необходимо устранить риск размещения токопроводящих объектов в зоне трубок и проводов высокого напряжения, которые могут вывести напряжение наружу.

Ртуть является опасным ядом, который постоянно накапливаются в живых организмах. Хорошо сконструированный манифольд должен иметь эффективные ловушки для ртути, для предотвращения распространения этого яда в манифольде. Эти ловушки должны иметь удобный доступ для их очистки.


Рис.13. Барьеры безопасности.