圓排機上緊湊型熒光燈的陰極分解.doc

圓排機上緊湊型熒光燈的陰極分解(東南大學(xué)電光源研究中心 南京 210096)提出一種圓排機在間歇轉(zhuǎn)位的運動特征下緊湊型熒光燈的陰極分解機制，并運用該機制來分析圓排機的匯流排在設(shè)計上存在的問題及其對燈管和設(shè)備的影響。隨著緊湊型熒光燈乍產(chǎn)規(guī)模的 斷擴大，許多企業(yè)將燈管排氣這一關(guān)鍵工序由手工排氣臺逐漸過渡到圓排機的生產(chǎn)方式。然而，有些企業(yè)在購進圓排機或整條自動生產(chǎn)線后面臨許多燈管質(zhì)量問題，特別是排氣過程在出現(xiàn)的陰極分解不完全等等，由于硬件的制約，給技術(shù)人員調(diào)整排氣工藝造成很大困難，究其根源，常常是排氣過程中陰極分解的通電這一重要環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，有的已不能像手工排氣臺上調(diào)整排氣工藝那樣來解決類似的質(zhì)量問題。與其它氣體放電燈一樣，緊湊型熒光燈制造的核心環(huán)節(jié)就是排氣的工藝過程，日前完成燈管排氣最具代表性的圓排機是48工位圓盤式間歇轉(zhuǎn)位的排氣機，在這類圓排機上燈管的陰極分解，其直熱式氧化物陰極的分解電流是通過圓排機上的匯流排將控制柜的輸出電流傳至燈絲來實現(xiàn)的，而圓排機間歇轉(zhuǎn)位的運動特征和分解電流在各工位上的可調(diào)性決定了燈絲通電始終處于斷續(xù)通電狀態(tài)，由此帶來與手工排氣臺燈管陰極分解不同的深刻變化，形成了圓排機上燈管特有的陰極分解機制1 緊湊型熒光燈的排氣工藝將已封口的燈管在烘箱中烘烤至450以上，使陰極中殘留的有機溶劑、水汽等物質(zhì)充分蒸發(fā)并由真空泵將其抽走，待氣體壓強小于2Pa后，即進行燈絲的通電分解和激活。燈管所用陰極是直熱式金屬氧化物陰極，燈絲表面涂敷著一層三元碳酸鹽，三元碳酸鹽的分解產(chǎn)物是堿土金屬氧化物。接著，金屬氧化物離解并在晶體內(nèi)獲得少量過剩鋇原子后，成為良好的發(fā)射體，這就是陰極分解的主要日的。11 硝化棉的分解和三元碳酸鹽的分解陰極分解電流逐步上升，陰極溫度達500左右時硝化棉分解：C6H8O3(ONO)22NO2+4H2O+cO+5c待大部分氣體放出并抽走后，繼續(xù)升溫至600始、并隨溫度的走高，三元碳酸鹽開始分解，放出c02:(Ba、Sr、Ca)CO3(Ba、Sr、Ca)O+CO2這是個可逆反應(yīng)，平衡壓力l33Pa。為使反應(yīng)完全，在陰極分解的實際過程中，分解放出的二氧化碳不斷被抽走，燈絲溫度逐漸升至l100l200，燈絲被點亮呈桔黃色，在此狀態(tài)下維持十?dāng)?shù)秒鐘，陰極分解即告完成。12 陰極的激活隨著管內(nèi)氣體被不斷抽走，管內(nèi)真空度提高，從而給陰極的激活和盈余鋇的產(chǎn)生提供了必要條件。當(dāng)陰極通電加熱到1200l350時，涂層中的氧化鋇與鎢絲作用還原出鋇：6BaO+WBa3WO6+3Ba當(dāng)盈余鋇擴散到整個涂層時，陰極便具有了良好的電子發(fā)射能力。上述反應(yīng)的同時還伴隨著許多相關(guān)反應(yīng)，其生成物如鋯酸鋇鍶鈣等，對防止離子轟擊有利，還能抑制過量鎢酸鋇阻擋層的產(chǎn)生。在陰極激活后向燈管內(nèi)充人遁鰱的啟動氣體高純氬氣，排氣工藝結(jié)束。2 圓排機上燈管陰極的通電加熱方式以48工位間歇轉(zhuǎn)化的圓排機為例。目前配用的匯流排將陰極分解電流傳至燈絲，鎢絲電阻熱致使陰極加熱，加上烘箱對燈管的烘烤，構(gòu)成了各工位下的斷續(xù)加熱方式，如圖1所示(某中問段6個工位的陰極溫度變化示意圖)。在這段陰極分解的過程中，由于通電的斷續(xù)性使陰極溫度在烘烤溫度以上，1200以下大約600的范圍波動，相應(yīng)的陰極分解反應(yīng)速度、放氣量也隨波動而劇烈變化 與連續(xù)通電下的恒溫反應(yīng)相比，這種波動下的陰極分解反應(yīng)效率打了很大的折扣，不再與通電時間等同。 這在每小時l200只燈管的圓排機生產(chǎn)率下不到20個工位的陰極分解主干階段顯得陰極分解時間較短，因此常常采用提高烘箱溫度來壓縮并上提溫度波動范圍、上提抽速以使陰極分解更加完全。然而這種接近600 的烘烤溫度已經(jīng)遠遠脫離了燈管熒光粉涂層烘烤除氣的溫度區(qū)間，給燈管質(zhì)量和圓排機的正常使用帶來了諸多不利影響。3 燈管陰極在較大反應(yīng)溫度波動下的陰極分解行為緊湊型熒光燈的陰極分解不僅僅是前述的化學(xué)反應(yīng)，從物理化學(xué)的角度來分析，陰極涂層在分解過程中既是復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，又是復(fù)雜的氣固兩相反應(yīng)；陰極分解反應(yīng)既具有碳酸鹽類的晶體學(xué)特征，又具有金屬氧化物的金屬學(xué)特征。31 陰極在較大反應(yīng)溫度波動下的相變特征陰極在通電加熱過程中，因為燈絲兩端導(dǎo)絲的吸熱，使得燈絲溫度最高區(qū)域是在遠離導(dǎo)絲的中段，這種現(xiàn)象在非持續(xù)加熱的情況下顯得特別突出，存在著中段到兩邊的較明顯的溫度梯度。在中段，雖然溫度最高的層面在涂層里側(cè)，但最先發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的是在涂層的表面。這是因為反應(yīng)放出的二氧化碳氣體在表層的逸出功最小。因此當(dāng)存在較大溫度波動的情況下，上述化學(xué)反應(yīng)在溫度的波峰處沒有足夠的時間利用溫度向燈絲全長上的擴散來進行多點陰極分解，反應(yīng)的效率低。還有，二氧化碳氣體持續(xù)被抽走，陰極分解反應(yīng)向右進行，逐層析出金屬化合物。在通電加熱因間歇轉(zhuǎn)位而中斷的情況下，燈絲溫度急速降低，相變接近中止，待轉(zhuǎn)位完成后通電再使陰極升溫，陰極分解得以由表及里、由中段向兩邊一步一步地進行，放氣量也在這種波動下隨之波動，持久放氣的時間縮短了許多。對持久抽氣的真空泵來說抽氣的效率降低，也就是說，需針對性地提高泵的抽速，圓排機群泵的總抽速也得提高，成本提高。32 陰極的金屬氧化物在較大溫度波動下的金屬學(xué)特征金屬氧化物作為陰極分解反應(yīng)的產(chǎn)物，在一個溫度波動區(qū)間里，尚未將涂層的三元碳酸鹽消耗完，因此當(dāng)二氧化碳氣體放出后，生成的金屬氧化物在碳酸鹽晶體表面某些特定的晶面或晶界上形核并核長大。在溫度較大波動情形下，形核率高而核長大速度慢，于是金屬氧化物較為致密，在碳酸鹽晶體表面形成了薄殼，減慢了碳酸鹽晶體內(nèi)在下一個溫度波峰的二氧化碳氣體逸出，所以阻礙了陰極分解的順利進行。涂層的這種“夾生”缺陷甚至能夠在老煉后發(fā)生作用，在燈管燃點的過程中慢慢放出微量二氧化碳氣體，逐漸地破壞燈管內(nèi)的氣體放電環(huán)境，造成啟動困難、光衰明顯等質(zhì)量問題。4 圓排機的匯流排在設(shè)計上存在的不足在認識到圓排機是緊湊型熒光燈陰極分解存在的不足后，反觀現(xiàn)有眾多圓排機上與之緊密關(guān)聯(lián)的匯流排部件可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)計者普遍不強調(diào)各工位轉(zhuǎn)位運動時陰極分解電流的瞬時切換。通電間隔越大的匯流排，對應(yīng)的燈管陰極分解越不理想。盡管現(xiàn)有多種調(diào)整排氣工藝的手段可以彌補，但如果在匯流排設(shè)計上以間歇轉(zhuǎn)位運動特征下的陰極分解機制作為設(shè)計模型，就可以盡量地縮短陰極分解工位在轉(zhuǎn)位時