Производство источников света - Металлы и сплавы специального назначения

в)    Металлы и сплавы специального назначения. Щелочные металлы. Щелочные металлы (натрий, калий, цезий, литий и рубидий) обладают высокими давлениями насыщенных паров и скоростью испарения, малой работой выхода электронов, высокой химической активностью. Благодаря этим свойствам они используются для активации катодов и получения разряда в их парах некоторых газоразрядных источников света.
Щелочные металлы энергично соединяются с кислородом, в особенности при наличии в нем влаги, иногда с воспламенением и взрывом. Поэтому обращение с ними требует специальных мер предосторожности.
Некоторые важные свойства щелочных металлов даны в табл. 1.3. Чаще других в электроламповом производстве применяются натрий, калий и цезий. Парами натрия наполняются газоразрядные лампы, обладающие большой световой отдачей. Так, современные натриевые лампы низкого давления, излучающие монохроматический желтый свет, имеют световую отдачу 150—200 лм/Вт, а натриевые лампы высокого давления — свыше 100 лм/Вт и излучают приятный золотистобелый свет.
Недостатком натрия как светоизлучающего материала является интенсивное взаимодействие его паров с окисью кремния, составляющего основу большинства ламповых стекол. В результате этого происходит почернение и разрушение стекла практически после нескольких минут работы лампы.
При взаимодействии со ртутью натрий образует твердую амальгаму, выделяя при реакции большое количество тепловой энергии и света. Свойства амальгамы меняются в зависимости от содержания натрия: минимальную температуру плавления (294,6 К) имеет амальгама с 39,5% натрия, наивысшую (608К) — амальгама с 5,5% натрия. Окись натрия входит в состав многих марок стекол.
Калий применяют для снижения работы выхода катодов некоторых газоразрядных ламп. Окись калия так же, как и окись натрия, вводится в состав многих стекол. Со ртутью калий образует твердые амальгамы при содержании калия выше 1,5% (по массе).
Цезий используется для получения катодов с малой работой выхода (индикаторные источники света с «холодным» катодом), а также для наполнения парами газоразрядных источников света специального назначения.

Таблица 1.3. Свойства щелочных металлов

Примечание. Скорость испарения и давление насыщенного пара указаны при 440 С.

Среди других щелочных металлов цезий отличается низкой температурой плавления, высоким давлением насыщенных паров и минимальной работой выхода электронов. При температурах свыше 570 К цезий разрушает силикатные стекла.
Щелочноземельные металлы и магний. К щелочноземельным металлам относятся барий, стронций и кальций. Их некоторые свойства приведены вместе со свойствами магния в табл. 1.4.
Щелочноземельные металлы отличаются небольшой плотностью, невысокими температурами плавления и кипения, малой работой выхода электронов. Температура заметного испарения этих металлов в вакууме (1,0—0,1 Па) низкая и лежит в пределах 580—630°С. В вакууме эти металлы легко «распыляются» и конденсируются в виде зеркал на более холодных частях ламп.

Металлы этой группы менее активны, чем щелочные, и поэтому более удобны в производстве. Они широко используются для получения активных катодов газоразрядных ламп, газопоглотителей. Окиси бария и стронция вводятся в состав многих стекол. Смесь окислов щелочноземельных металлов с некоторым избытком свободного бария составляет основу эмиттирующего вещества в оксидном катоде.
Химически наиболее активным из этой группы металлов является барий. Из кислородных соединений бария наиболее устойчива его перекись ВаО2, которая может использоваться для приготовления активного эмитирующего вещества вместо карбонита бария.
Магний применяется как газопоглотитель в лампах с ртутным наполнением, для снижения напряжения зажигания разряда в стартерах тлеющего разряда, а также в некоторых лампах-вспышках.

Таблица 1.4. Свойства щелочноземельных металлов и магния

Окись магния MgO вводится в состав многих стекол для придания им легкоплавкости. По многим свойствам магний похож на щелочноземельные металлы. Он имеет малую работу выхода электронов, высокую скорость испарения и значительное давление насыщенных паров при относительно невысоких температурах (220 Па при 900 К и 5-104 при 1300 К). В сухом воздухе магний устойчив, но во влажном быстро окисляется.
Для повышения устойчивости на воздухе магниевый геттер применяется в виде сплава: 70% магния и 30% алюминия.

Ртуть.

Ртуть является одним из основных материалов в вакуумной технике и производстве газоразрядных источников света. Она используется для введения в большинство газоразрядных ламп, а также в качестве рабочей жидкости парортутных насосов.
При комнатной температуре ртуть представляет собой серебристобелую жидкость с плотностью 13 500 кг/м³. Температура плавления ртути 234,28 К, а температура кипения 630,1 К. Но уже при комнатной температуре ртуть сильно испаряется. Зависимость давления насыщенного пара над жидкой ртутью от температуры может быть с достаточной для практики точностью описана следующим уравнением:
(1-1)
где р — давление, Па; Т — температура, К.
К положительным свойствам ртути как материала для наполнения газоразрядных ламп помимо высокого давления насыщенных паров можно отнести низкий потенциал ионизации (10,39 В) и низкие потенциалы возбуждения резонансных уровней (4,89 и 6,71 В). Резонансное излучение атомов ртути происходит на длинах волн 253,65 и 184,95 нм.
Ртуть — химически устойчивый материал. Окисление ртути кислородом воздуха наблюдается лишь при температурах, близких к температуре кипения. Взаимодействие ртути с другими газами мало. Ртуть хорошо растворяется в разбавленной и концентрированной азотной кислоте, «царской водке» и в концентрированных соляной и серной кислотах. Разбавленные соляная и серная кислоты, а также щелочи на ртуть не действуют.
Большое практическое значение имеет отсутствие взаимодействия ртути при нагреве с такими распространенными внутриламповыми металлами, как вольфрам, молибден и никель. С щелочноземельными металлами, входящими в состав покрытия катодов ламп, ртуть образует амальгамы, легко разлагающиеся при высоких рабочих температурах катода. Помимо щелочных и щелочноземельных металлов в ртути растворяются с образованием амальгам также цинк, олово, свинец, кадмий, серебро, магний, медь, алюминий.
В последнее время промышленность выпускает некоторые люминесцентные лампы не с жидкой ртутью, а со сложными амальгамами, содержащими 3—4 компоненты.
Из неметаллических конструктивных материалов со ртутью не взаимодействуют графит, стекло, керамика и слюда.
Техническая ртуть содержит в себе около 0,001% примесей: свинца, висмута, цинка, олова и других металлов, а также небольшие загрязнения в виде пыли, органических веществ, минеральных масел и т. и. Поэтому на электроламповых предприятиях, потребляющих ртуть, производится ее дополнительная очистка. Для удаления из ртути грубых механических загрязнений ее фильтруют через замшу. Масляные и жировые загрязнения удаляются обработкой ртути чистым бензином, щелочью или спиртом. Удаление органических загрязнений эффективно также путем промывки ртути 2%-ным раствором марганцовокислого калия. Для очистки от многих металлических примесей ртуть обрабатывают соляной, азотной и серной кислотами, продувают через нее горячий очищенный воздух. Остатки кислот и щелочей в ртути удаляются многократной промывкой ее дистиллированной водой.
Очистка ртути завершается ее дистилляцией в вакууме при 180— 200 °C. В результате этого ртуть окончательно освобождается от примесей олова, благородных металлов, влаги, газов.
О наличии в ртути даже небольших загрязнений можно судить по потере блеска и появлению полос на стекле сосудов, в которых хранится ртуть, а также по исчезновению устойчивости пены при встряхивании ртути вместе с водой. Ртуть и ее пары токсичны. Поэтому при работе со ртутью должны быть приняты самые тщательные меры предосторожности,