Физико-технологические основы разработки термоэмиссионных электродов для натриевых ламп высокого давления тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

На правах рукописи

ТАЙ АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ

ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ТЕРМОЭМИССИОННЫХ ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ НАТРИЕВЫХ ЛАМП ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Специальность 01.04.07 - Физика конденсированного состояния

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-1 лег 2013

Москва-2013

005531864

005531864

Работа выполнена в обществе с ограниченной ответственностью «ЭКОЛЮМ-ВОСХОД»

Научный руководитель:

доктор технических наук Прасицкий Василий Витальевич

Официальные оппоненты:

Стрельченко Станислав Сергеевич, доктор технических наук, профессор, Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, профессор

Власко Алексей Вячеславович, кандидат технических наук, Научно-производственное объединение «ЭРГА», заместитель директора по развитию

Ведущая организация:

Государственное унитарное предприятие Республики Мордовия «Научно-исследовательский институт источников света имени А.Н. Лодыгина»

Защита состоится « 18 » сентября 2013 г. в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.141.17, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана» по адресу: 248000, г. Калуга, ул. Баженова, д.2, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Калужский филиал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГГУ им. Н.Э. Баумана по адресу: г. Москва, ул. 2-я Бауманская, д.5.

Автореферат разослан

2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Лоскутов С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Начало XXI века поставило сложную проблему перед учеными и инженерами, занятыми в сфере разработки источников света (ИС). С одной стороны, значительный рост цен на электроэнергию и материалы диктует необходимость создания новых их конструкций, позволяющих экономить ресурсы как на стадии изготовления, так и в процессе эксплуатации, а, с другой стороны, существенно возросли требования к потребительским параметрам ИС для искусственного освещения: стабилизации светового потока, экономичности и увеличению долговечности.

Исходя из этого, в последние годы ведущие отечественные и зарубежные светотехнические фирмы заняты разработкой экономичных, компактных и экологичных ИС. Заметное внимание уделяется разработке компактных люминесцентных ламп, а также безэлектродных ламп на основе СВЧ-разряда. Первые обладают повышенной экономичностью, а вторые - долговечностью (по прогнозам - до 100 тысяч часов). Однако самыми массовыми лампами интенсивного освещения на сегодня и на весьма длительную перспективу останутся натриевые разрядные лампы высокого давления (ДНаТ), обладающие рядом уникальных достоинств: стабильно достигаемым коэффициентом светоотдачи в 150 Лм/Вт, долговечностью на уровне 20 тысяч часов, простотой конструкции, возможностью диммирования, малым весом и габаритами. Являясь наиболее эффективными в настоящее время источниками искусственного освещения, они применяются для освещения складских помещений, автомагистралей и карьеров, парников и теплиц.

В мировой практике доля ламп типа ДНаТ превышает половину всех ИС наружного освещения и составляет почти 100% тепличного искусственного освещения. В связи с этим остается актуальным вопрос совершенствования этого типа ламп в части увеличения долговечности и снижения отрицательного воздействия на экологию, поскольку увеличение их срока службы приводит к уменьшению количества используемых ламп и,соответственно, - выбросов в окружающую среду вредных веществ при их утилизации.

Анализ процессов деградации параметров ламп ДНаТ позволяет утверждать, что самым слабым звеном в их конструкции является электрод. Повсеместно применяемый в настоящее время спиральный электрод практически не претерпел изменений с начала массового производства. Малая масса эмиссионного материала, ненадежное закрепление ее на электроде, особенно заметное в режиме термоциклов, приводит к отказам в зажигании из-за осыпания эмиссионного материала, а высокий уровень распыления, особенно в стадии разгорания лампы, ведет к значительному снижению светового потока вследствие запыления стенок горелки и невозможности достижения потенциальной долговечности, обеспечиваемой остальными конструктивными элементами.

В связи с этим, основная цель работы состоит в создании физико-технологических основ разработки и внедрении в производство унифицированного параметрического ряда электродов нового типа, что позволит принципиально улучшить качество ИС, снизить материальные и энергетические затраты при изготовлении и эксплуатации ламп. Следует особо подчеркнуть сложность решения поставленной задачи, обусловленной, с одной стороны, многочисленностью разнородных физических процессов взаимодействия плазмы тлеющего и дугового разрядов с композиционной поверхностью электрода, малым объемом газового на-

полнения в отпаянной горелке лампы, а, с другой стороны, практическим отсутствием комплексных теоретических исследований в данной области, обусловившим отсутствие инженерных методов расчета и контроля параметров электродов.

Научно-технические основы разработки электродов для газоразрядных ламп были заложены в работах Г.Н. Рохлина, В.И. Кристи, А.П. Коржавого, В.И. Моро-кова, Е.С. Савранской, В.В. Прасицкого, Р.И. Хабибулина, М.Р. Фишера и др. Из них следует, что одним из способов увеличения долговечности лампы при снижении ее себестоимости является применение спеченных электродов, обладающих набором характеристик, отсутствующих у серийно применяемых в мировой практике спиральных электродов с нанесенным на их поверхность микрослоем эмисси-онно-акгивного вещества. Среди потенциальных преимуществ спеченного электрода -увеличенное в 5-10 раз количество эмиссионно-активного вещества (ЭАВ), его объемное расположение, повышенная эмиссионная способность и более низкая рабочая температура

Эксплуатационные параметры натриевых, как и других типов разрядных ламп, в значительной степени зависят от качества применяемых в их конструкции электродов. Учитывая этот практический факт, задача совершенствования конструкций и состава эмиссионного материала электродов остается постоянно актуальной.

Долговечность электродов определяется скоростью испарения бария, обеспечивающего эмиссионную способность, и устойчивостью ЭАВ к отравлению остаточными газами. К ЭАВ предъявляются следующие требования:

- заданная скорость выделения активатора (бария), образующегося в результате взаимодействия с восстановителем;

- малое количество выделяемых Газов при обработке;

- устойчивость параметров при нахождении на воздухе в процессе технологических операций изготовления.

В настоящее время различные производители при изготовлении электродов для разрядных ламп высокого давления в качестве ЭАВ применяют широкий спектр материалов: метацирконаты бария BaZr03, вольфраматы бария-иттрия Ba0-Y203:W03, вольфраматы бария-кальция типа Ba2CaW06 и др.

Метацирконаты нашли применение преимущественно в спиральных электродах ртутных ламп, выпускаемых отечественными производителями, реальная долговечность которых сейчас находится на уровне 3 — 5 тысяч часов:

Смеси вольфраматов бария-кальция и оксида иттрия, а также вольфрамата бария-кальция используют в своих спиральных электродах фирмы «Osram» и «Philips», массово производящих натриевые лампы высокого давления с ресурсом работы на уровне 20 — 24 тысяч часов.

Весьма высокими эмиссионными параметрами и достаточно высокой устойчивостью к внешним воздействиям обладает эмиссионный состав, содержащий алюминаты бария-кальция типа (3-х)ВаОхСа0-А1203. Подобные ЭАВ применяются преимущественно при изготовлении пропитанных (импрегнированных) катодов. Попытки использовать указанный состав в качестве ЭАВ для электродов дуговых источников освещения не дали положительных результатов.

Физико-технологические основы разработки термоэлектронных композиционных электродов на основе новых материалов для натриевых ламп высокого давления пока не сформулированы. Устранение этого пробела и является основной целью настоящей работы. 2

Для достижения поставленной цели предложены и решены следующие задачи. Исходя из анализа литературных источников, требований разработчиков разрядных ламп, существующего мирового уровня выпускаемой продукции и требований к его повышению, установлено, что электроды должны обеспечивать следующие параметры:

- изменение величины светового потока в течение времени эксплуатации лампы - не более.20%;

- ресурс работы — не менее 28 тысяч часов;

- увеличение ресурса работы в циклическом режиме частых включений в 2-3 раза ; •'■

Поскольку основные характеристики спеченных электродов формируются в процессе их изготовления и на начальной стадии тренировки ламп, определение закономерностей, связывающих основные параметры электродов с характеристиками условий их изготовления, применительно к реальным конструкциям и режимам работы их в лампах, явилось первой задачей работы.

Вторая задача - разработка рациональных конструкций электродов, учитывающих условия их эксплуатации при радиационном воздействии плазмы дугового разряда разных мощностей.

И третья задача - испытание спеченных электродов в составе натриевых ламп высокого давления с последующим анализом полученных результатов.

Научная новизна работы. В ходе выполнения диссертационной работы были впервые получены следующие результаты:

- разработан метод определения применимости различных эмиссионно-активных материалов для электродов осветительных ламп;

- разработан оптимальный состав ЭАВ для электродов натриевых ламп высокого давления;

- определены параметры процессов изготовления ЭАВ, обеспечивающие его заданный фазовый состав;

- определены параметры процессов изготовления электродов, обеспечивающие сохранение заданного фазового состава ЭАВ;

- установлено, что массовая доля ЭАВ (ВаАЬО^ВагСаХУОб) в составе материала спеченной части электрода, обеспечивающая заданные эмиссионные свойства, должна находиться в пределах 12-15%;

- определено, что оптимальные тепловые режимы электрода обеспечиваются при уровне теплопроводности материала X = 84-105 Вт м"'К"';

- исследованы и испытаны натриевые разрядные лампы высокого давления, изготовленные с применением разработанных электродов в составе осветительных систем и устройств.

Научная и практическая значимость работы состоит в том, что созданы новые оригинальные средства исследования и испытания спеченных термоэмиссионных электродов на основе соединений вольфрама, кальция, бария и алюминия для дуговых разрядных натриевых ламп высокого давления и разработана технология их изготовления.

Применение разработанных электродов позволило:

- увеличить средний ресурс работы ламп с 18000 часов до 30000 часов;

- повысить величину светового потока •■ • , ' на 8 <%;

- уменьшить расход дорогостоящих вольфрамовых материалов.

Результаты работы внедрены в производство.

Теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы могут быть использованы в Национальном исследовательском Мордовском государственном университете имени Н.Р. Огарева, г. Саранск, в ОАО «Лисма», г. Саранск, на Дятьковском заводе газоразрядных приборов, г. Дятьково Брянской области.

Достоверность результатов диссертационной работы и их обоснованность подтверждается достаточно хорошим совпадением данных, полученных в процессе экспериментальных исследований и численных расчетов, их соответствием известным физическим явлениям, а также успешным опытом применения созданных спеченных электродов в массовом выпуске натриевых разрядных ла\й высокого давления. V*

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты исследований зависимости эмиссионных параметров от условий изготовления ЭАВ.

2. Результаты исследований зависимости параметров ЭАВ от услойий изготовления электрода на основе соединений

3. Оптимальный состав ЭАВ для электродов натриевых ламп высокого давления.

4. Конкретные конструкции электродов для разрядных ламп высокого давления с заданными Параметрами.

5. Результаты испытаний натриевых ламп высокого давления с разработанными спеченными термоэлектродами.

Личный вклад автора состоит в разработке оригинальных методов исследований, проведении исследований спеченных электродов в составе ламп ДНаТ, разработке технологических приемов изготовления эмиссионно-активного вещества и собственно термоэлектродов, в постановке экспериментальных работ, обработке, анализе и интерпретации результатов исследований.

Апробация работы. Основные результаты настоящей работы докладывались и обсуждались на Межнациональных конференциях и семинарах, в том числе: XX Международном совещания «Радиационная физика твердого тела» (Севастополь, 5 июля - 10 июля 2010 г.), ХЬ Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 25 мая 2010г.), третьей Всероссийской Школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению «Наноинженерия» (Москва, 2010г.), Всероссийской научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в ВУЗЕ», (Москва, 2011г.), Региональной научно-технической конференции «Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе» (Москва, 2013 г.).

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в производство параметрического ряда натриевых ламп высокого давления ООО «Калужские лампы» и фирмы «Уатао» (КНР).

Публикации. Основные результаты, полученные в работе, отражены в 9 печатных трудах, в том числе 3 в журнале из Перечня, рекомендованного ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка литературы и приложения. Её общий объем составляет 104 страницы, включая 35 рисунков, 1 таблицу и список литературы из 109 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, сформулированы цели и задачи работы, изложена научная новизна и практическая значимость результатов работы, представлены основные положения, выносимые на защиту.

'' Первая глава посвящена анализу литературных данных о современном состоянии проблем, связанных с работами по усовершенствованию термоэлектродов для современных натриевых ламп высокой интенсивности. Установлено, что при их изготовлении и разработке большей частью не учитывается комплексный характер влияния на основные параметры электрода условий его изготовления, исследование основных характеристик зачастую проводится в условиях, не соответствующих условиям их эксплуатации в приборах. Не определены также закономерности, связывающие основные характеристики электродов с параметрами всех этапов технологического процесса их изготовления. Отсутствует научный подход к определению состава эмиссионно-активного вещества электродов, свидетельством чего является его значительное разнообразие у разных производителей. Способ закрепления ЭАВ на спиральном электроде не позволяет увеличить его количество, что ограничивает долговечность ламп. Сложившаяся ситуация с качеством электродов может быть существенно улучшена путем применения в производстве ламп спеяенных электродов, способных обеспечить повышенную до 25 - 30 тысяч часов долговечность, соответствующую современным требованиям экологии окружающей среды и ресурсосбережения.

В главе обоснована перспективность и актуальность работ, связанных с исследованием спеченных электродов, включающих создание нового вида эмиссионно-активного вещества и конструктивных особенностей спеченных электродов, сформулированы задачи, решение которых позволит создать спеченные электроды для натриевых ламп высокого давления, имеющих долговечность на уровне 30 тысяч часов.

Вторая глава посвящена разработке способов получения ЭАВ, экспериментальных спеченных электродов и методов исследования их параметров.

В первом разделе главы произведен выбор оптимальных процессов получения эмиссионно-активного вещества и образцов спеченных электродов.

К эмиссионно-активному веществу предъявляются следующие требования:

- заданная скорость выделения активатора (бария), образующегося в результате взаимодействия с восстановителем;

- малое количество выделяемых газов при обработке;

- устойчивость параметров при нахождении на воздухе в процессе технологических операций изготовления.

Основные задачи, решаемые в процессе синтеза эмиссионно-активного вещества, следующие:

- обеспечение максимальной гомогенности состава;

- обеспечение максимального количества провзаимодействовавших частиц;

- обеспечение минимального разброса параметров активного вещества Выбранные схемы процессов изготовления ЭАВ и. спеченных электродов,

приведенные на рис. 1а и рис. 16, позволяют решить перечисленные задачи.

а б

Рис.1. Схемы процессов изготовления ЭАВ (а) и спеченных электродов (б)

Для исследования фазового состава эмиссионно-активного вещества выбран рентгенофазовый метод, реализованный с помощью рентгеновского дифрактометра «ДРОН -1-УМ».

Для того, чтобы в горелке лампы возник дуговой разряд, необходим нагрев электрода до температуры термоэмиссии, обеспечиваемый энергией аномального тлеющего разряда. При этом напряжение на разрядном промежутке в момент перехода тлеющего разряда в дуговой должно быть ниже напряжения питания. Поскольку каждый состав ЭАВ обладает, в общем случае, своей величиной работы выхода, указанный переход может не состояться. Естественно, что более низкое значение напряжения на разрядном промежутке в момент перехода тлеющего разряда в дуговой свидетельствует о более высоких эмиссионных параметрах ЭАВ. В связи с этим разработан метод определения качества эмиссионно-активного вещества по вольтамперным характеристикам переходного процесса в разряде.

Для исследования параметров теплопроводности материала электродов был применен метод сравнения параметров с калиброванным образцом, разработана и изготовлена установка для измерения теплопроводности материала. Зна;чения теплопроводности электрода (вольфрамовой матрицы с эмиссионно-активным веществом Ва2Са\\Ю6 + ВаА12С>4) приведены на рис. 2.

В третьей главе приведены результаты исследований условий применения спеченных электродов и формирование основных физических свойств применительно к разрядным натриевым лампам.

В первом разделе произведен расчет плотности потоков распыленного с поверхности электрода ЭАВ, обратно осаждающегося на электроды и внутреннюю поверхность горелки.

Общеизвестный факт, что срок службы разрядных осветительных ламп в значительной степени определяется эмиссионными свойствами их электродов. Исследуемые в работе электроды представляют собой вольфрамовый керн, на одном из концов которого закреплена обычно в виде цилиндра спеченная часть, состоящая из комбинации порошка вольфрама и эмиссионно-активного вещества. В рабочем режиме лампы разряд привязан к торцу керна. Получаемое этим торцом тепло за счет достаточно высокой теплопроводности вольфрама передается спеченной части, нагревая ее до температуры на уровне 1800 К. Такой температуры достаточно для испарения части поверхностных атомов эмиссионного вещества. Некоторые покинувшие поверхность электрода частицы, Диффундируя в объеме, осаждаются на керне электрода, другие конденсируются на внутренней поверхности горелки. При этом осажденные на торце керна снижают работу выхода его поверхности, уменьшая рабочую температуру, а осажденные на стенках горелки экранируют световой поток лампы, уменьшая его общую величину.

В работе расчетным методом показано следующее:

- при зажигании лампы, когда давление наполняющего газа внутри горелки находится на уровне 500 -1500 Па, на стенку горелки в единицу времени осаждается в 50 раз, а на торец керна электрода в 100 раз больше распыленного материала электрода, чем в режиме установившегося дугового разряда;

- в рабочем режиме лампы, когда достигнутое давление паров наполняющих горелку металлов достигает атмосферного, лишь 10% испаряющихся атомов способны переместиться на торец керна и стенки горелки, а остальные из-за малых длин свободного пробега возвращаются на эмиссионную поверхность.

Важное следствие рассчитанного процесса - изменение термоэмиссионных свойств поверхности электрода вследствие осаждения на ней беспорядочного слоя возвратившихся испаренных частиц, приводящих, как показывают эксперименты, к

1

«

2

^ з ■

300 600 900 1200 1500 Т.К

Рис. 2. Значения теплопроводности вольфрамовой матрицы с различным содержанием ЭАВ: 1 - 10%; 2 - 20%; 3-30%

увеличению работы выхода. Следствие этого - повышение температуры электрода и ускоренное испарение эмиссионно-активного материала.

Во втором разделе главы описаны эксперименты по определению применимости эмиссионно-активных материалов для использования в разрядных натриевых лампах.

В качестве эмиссионно-активного вещества термоэлектродов ламп высокого давления применяют цирконаты, оксиды редкоземельных, а также вольфра-маты щелочноземельных элементов.

В качестве исходных компонентов применялись карбонаты бария ВаС03 и кальция СаСОз, гидрооксид алюминия А1(ОН)3 и триоксид вольфрама \¥03, полученный водородным восстановлением из паравольфрамата аммония 5(>Ш4)20 12\У0З-5Н20.

Содержание бария как основного эмиссионного элемента в активном веществе должно находиться на некотором оптимальном уровне. Этот уровень должен обеспечить компенсацию удаляемого бария с поверхности спеченной части электрода и в то же время предотвращать его избыточное количество на эмиссионной поверхности. Обычно применяется соотношение от полутора молей окиси бария на один моль окиси алюминия - до двух молей на один моль окиси алюминия. Окись кальция, введенная в алюминат бария, увеличивает эмиссионную способность состава и стабилизирует процесс испарения бария.

В соответствии с методом, предложенным в диссертации, вольтамперные характеристики разрядного промежутка, характеризующие стадии тлеющего, дугового и переходного процессов, позволяют получать качественную картину вторично* и термоэмиссионных свойств предполагаемых к использованию эмиссионных материалов.

ВАХ для некоторых эмиссионно-активных материалов, как используемых в производстве спиральных электродов, так и разработанных в диссертации спеченных, приведены на рис. За и 36.

ив

J

Оп

300 200 р

ы 1

с у

100

-2-1 и ■ ]о ю ю 'а

а б

Рис. 3. Вольтамперные характеристики экспериментальных спеченных электродов с ЭАВ состава Ва2Са\У06 + ВаА1204 (а) и У203 (б)

Как следует из рисунков, У203, как эмиссионный материал, обеспечивает переход аномального тлеющего разряда в дуговой разряд при напряжении на разрядном промежутке, превышающем 300В. Удовлетворительные результаты полу-8

чаются при использовании эмиссионных составов Ba2CaW06 и ВаА1204. Для изготовления спеченных электродов в диссертационной работе использовался композиционный состав типа Ba2CaWOö + ВаА1204, применение которого позволило осуществить переход тлеющего разряда в дуговой при напряжении на разрядном промежутке, не превышающем 200 В.

В третьем разделе главы описаны результаты исследования температурных режимов спеченных электродов и их сравнение с аналогичными параметрами спиральных электродов при условиях эксплуатации, характерных для ламп ДНаТ мощностью 125, 250 и 400 Вт.

Процессы в установившемся дуговом разряде рассмотрим на примере электродов для натриевых ламп мощностью 400 Вт. Толщина проволоки спирали составляет 0,5 мм. Длина витка спирали - 4 мм. При этом соседние витки спирали либо соприкасаются по образующим, либо не имеют контакта. В любом случае теплопередача между соседними витками в результате механического контакта пренебрежимо мала. Поэтому можно считать, что тепло передается от первого к третьему витку через всю длину второго витка. В этом случае тепловое сопротивление второго витка составит 0,03 К/Вт.

Спеченная часть электрода представляет собой сплошное тело с определенным коэффициентом теплопроводности. Условно выделенные области первого-третьего витков находятся в непосредственном контакте, и тепловое сопротивление между областями, эквивалентными первому и третьему виткам спирали, составляет 0,0016-0,003 К/Вт, что на порядок меньше, чем у спирального электрода Следствием этого является меньший тепловой градиент по длине электрода, что подтверждается рис. 4а, 46.

а б

Рис. 4. Фотографии спирального (а) и спеченного (б) электродов в дуговом разряде

На рис. 4а отчетливо виден первый виток спирали, температура которого существенно превышает температуру последующих витков. В то же время спеченная часть электрода на рис. 46 имеет более плавный спад температуры, причем максимальная температура значительно меньше, чем у первого витка спирали на предыдущей фотографии.

Измерения при помощи оптического пирометра показывают, что максимальные температуры спеченного электрода меньше таковых для спирального электрода на 250-300К.

Из анализа полученных результатов следует, что спеченные электроды обладают более широким диапазоном применения с точки зрения обеспечения температурных режимов горелки. При этом необходимые значения температур заэлек-тродной зоны обеспечиваются при пониженной на 200 — ЗООК температуре области электрода, обращенной в сторону разряда, что снижает испарение эмиссионно-активного вещества в режиме дугового разряда на порядок и больше.

В четвертой главе изложены физико-технические основы разработки технологии получения спеченных электродов применительно к условиям их работы в натриевых лампах высокого давления.

В первом и втором разделах описывается исследование фазового состава эмиссионно-активного вещества на этапах его изготовления и изготовления спеченного электрода.

Основная задача эмиссионно-активного вещества — обеспечение требуемого уровня термоэмиссии на протяжении всего срока эксплуатации разрядной лампы. Его характеристики не должны меняться в процессе воздействия внешних факторов: атмосферной влаги, условий измельчения и смешивания с материалом матрицы и связующего вещества, условий прессования и т.д.

В случае невозможности сохранения параметров должны быть предусмотрены способы их восстановления после воздействия перечисленных факторов.

На рис. 5а показана дифракгограмма эмиссионно-активного вещества Ва2Са'\\Ю6 + ВаА1204, снятая непосредственно после его синтеза Как следует из рисунка, высота основного пика фазы Ва2Са'№06 составляет 67% от высоты пика вольфрама, а высота пика фазы ВаА1204 соответственно -12%. Полученные значения интенсивности фаз являются оптимальными.

Для определения устойчивости фазового состава синтезированного материала в присутствии влаги, образцы помещались в воду при температуре 350 К и выдерживались в течение двух часов. Дифрактометрическая картинка, полученная после выдержки в воде, представлена на рис. 56. Как следует из сравнения высоты ликов фаз и вольфрама, относительная интенсивность Ва2Са'^Ов снизилась до 57%, а интенсивность ВаА1204 - до 11,5%. Учитывая экстремальные условия проведения испытаний образцов эмиссионно-активного вещества, в первом приближении можно считать результаты удовлетворительными, а материал - достаточно влагоусгойчивым. В соответствии с алгоритмом, описанным в главе 2, следующим этапом в изготовлении спеченных электродов после получения и размола эмисси-онно-активного вещества является его смешивание с вольфрамовым порошком в присутствии размольных шаров и жидкой среды.

Наличие жидкости препятствует сцеплению отдельных групп порошков в конгломераты, обеспечивая тем самым получение гомогенной смеси. Практически с той же целью используются шары, разбивающие отдельные образовавшиеся комки.

В качестве жидкости может использоваться этиловый или изопропиловый спирт. Однако в силу токсичности второго и ряда субъективных причин, сопутствующих применению первого вида спирта, оптимальной жидкой средой можно считать деионизованную воду. Деионизованная вода нетоксична, не дает примесей, легко получаема и ее использование в массовом производстве изделий оправдано с многих точек зрения. Однако исследование полученной смеси порошков показало, что активное перемешивание в течение 5-8 часов, необходимых для получения требуемой равномерности, приводит к существенному изменению фазового соста-10

ва эмиссионно-активного вещества. Дифрактограмма смеси вольфрамового порошка и эмиссионно-активного вещества после 5 часов смешивания в воде с яшмовыми шарами имеет вид, аналогичный показанному на рис. 56. Как следует из рисунка, вместо фаз Ва2Са\УОб + ВаА1204, присущих синтезированному веществу, в ди-фрактограмме появляются пики фазы Ва\\Ю4, в данном случае по сути антитермо-эмиссионного вещества с большой работой выхода. Соединения алюминия и кальция, по нашим предположениям, переходят в твердые растворы, мало поддающиеся идентификации на используемом оборудовании. Поскольку подобные превращения не происходят при смещивании порошков в этиловом спирте, есть все основания считать, что причиной является наличие деионизованной воды. Тем не менее, по причинам, перечисленным ранее, было принято решение об отказе от спирта. Поэтому был найден способ восстановления требуемого фазового состава путем последующей термической обработки полученной смеси в среде водорода. Оказалось, что полученная смешиванием в воде, после нахождения в водородной печи при температуре 1500К в течение полутора часов, смесь вольфрамового порошка и эмиссионно-активного вещества практически восстанавливала исходный фазовый состав: относительная высота пика Ва2Са\\Ю6 составила 40%, а пика ВаА1204 -8%. Таким образом, применение воды в качестве жидкости для смешивания порошков вольфрама и эмиссионно-активного вещества принципиально возможно.

' 1 : 1 ; 1 ' М N '

г

И1 : ! \

]; ИТ..........

| ■ [ ! И ' : : 1.................1......

]. [ •И . : Р | • <

)МиТГ73} . ; ' Ид

а б

Рис. 5. Дифрактограмма эмиссионно-активного вещества Ва2Са\¥06 + ВаА1204, снятая непосредственно после его синтеза (а) и после смешивания в воде с яшмовыми шарами (б)

Третий раздел посвящен металлографическому анализу образцов спеченных электродов.

Сложность создания спеченных электродов для разрядных ламп высокого давления обусловливается тем, что на этапе разгорания лампы они должны обладать вторично-эмиссионными свойствами, а в основном режиме работы - термоэмиссионными. При этом на первом этапе в разряде должна участвовать вся рабочая поверхность электрода, а на втором - небольшой участок, занимаемый катодным пятном. Рентгенофазовый анализ, проведенный в предыдущей главе, дает интегральные характеристики, усредненные по объему спеченной части электрода.

Кроме того, спеченная часть электрода должна обладать определенными механическими свойствами: не разрушаться при транспортировке и в процессах монтажа горелки. В свою очередь механические свойства, формирующиеся в процессе спекания, определяются временем и температурой спекания, размерами (поверхностной энергией) участвующих в спекании частиц. При этом может происходить существенное обеднение поверхности эмиссионно-активным составом, что приведет к нежелательным последствиям при работе электрода, особенно в режиме разгорания лампы.

Для выяснения структуры спеченных электродов, равномерности распределения эмиссионно-активного вещества на поверхности и в объеме вольфрамовой матрицы и наличия в ней пор Проводился металлографический анализ спеченной части электрода. При этом исследовались как шлифы, так и сколы материала электрода. Исследования производились в темном и светлом полях.

На начальном этапе исследований в качестве тугоплавкого материала для матрицы был избран вольфрамовый порошок марки В16,5 как наиболее доступный по цене и содержащий малое количество примесей. Средний размер зерна составлял 16,5 мкм. Рентгенофазовый анализ образцов спеченных электродов, изготовленных с применением выбранного вольфрамового порошка, показал отсутствие посторонних фаз и достаточно высокую интенсивность пиков эмиссионно-активного вещества заданного в диссертации состава. Температура спекания выбиралась из условия обеспечения механической прочности спеченной части электрода и ее закрепления на керне, соответствующим требованиям производителей ламп.

На рис. 6 приведены фотографии: поверхности микрошлифа, сделанной в светлом поле (а), и поверхности микрошлифа, сделанной в темном поле (б).

\ г',

щШ/З^х -''3-?'

||

а

Рис. 6. Электрод из крупного вольфрама: поверхность микрошлифа в светлом поле (а), поверхность микрошлифа в темном поле (б). Увеличение 640х

На снимках отчетливо видна активно-эмиссионная масса, заполняющая пространство между крупными зернами вольфрама. Ее наличие и соответствие заданным фазовым параметрам регистрирует дифрактометр. Однако фотография рис. 7а показывает отсутствие на исходной поверхности электрода (до изготовления микрошлифа) активного вещества.

Обнаруженный факт может быть объяснен слишком высокой температурой спекания, приводящей к превалированию испарения эмиссионно-активного вещества с поверхности вольфрамовой матрицы над его диффузией из объема. При этом снижение температуры оказалось невозможным с точки зрения обеспечения требуемых механических свойств. Поэтому было принято решение об использовании более мелкого вольфрамового порошка, частицы которого обладают повышенной поверхностной энергией.

Рис. 7. Микрофотографии поверхности спеченных электродов, изготовленных с применением крупного (а) и мелкого (б) вольфрамового порошка

В качестве такового был применен вольфрамовый порошок марки ВЧДК со средним размером зерна на уровне 3 мкм. В этом случае необходимая механическая прочность обеспечивалась при пониженной на 250К температуре спекания. Фотографии электрода, изготовленного с применением мелкозернистого вольфрама, приведены на рис. 76. Как следует из рисунка, на исходной поверхности электрода области между зернами вольфрама заполнены эмиссионно-активным веществом.

Таким образом, металлографические исследования поверхности и объема спеченной части электрода позволили установить следующее:

- при температуре спекания, обеспечивающей требуемые механические свойства электродов, изготовленных с применением крупнозернистого вольфрама, на рабочей поверхности спеченной массы отсутствует эмиссионно-активное вещество;

- для одновременного выполнения требований по механическим и эмиссионным свойствам необходимо применение вольфрамового порошка с размером зерна на уровне 1 мкм и температуры спекания 1800К.

В заключении отмечено, что натриевые лампы высокого давления имеют достаточно широкий спектр излучения. Мощность электрического тока, подводимая к лампе, расходуется на излучение в видимом диапазоне (30%), инфракрасном диапазоне (20%), ультрафиолетовом диапазоне (0,5%) и тепловом диапазоне (44,5%) длин волн, а также на нагрев электродов (5%).

На разрядном промежутке лампы между ее электродами в рабочем режиме устанавливается напряжение ил. При этом через разрядный промежуток протекает ток силой 1л. Исследования показывают, что часть мощности, теряемая на разогрев

электродов, остается практически неизменной для всех типов выпускаемых натриевых ламп высокого давления и составляет порядка 6Вт. Таким образом, подводимая к лампе мощность, расходуемая на излучение Ри, определяется как

Р„=ил1л-6.

Из этого следует, что для повышения коэффициента полезного действия лампы необходимо увеличивать либо разрядный ток, либо напряжение. С точки зрения поддержания оптимальной концентрации в разряде излучающих частиц, единственно возможным является повышение напряжения.

Для дуговых разрядных ламп характерен процесс так называемого перезажигания разряда на; каждом полупериоде напряжения питающей сети. Суть его заключается в том, что при достижении на каждом полупериоде питающего напряжения определенной величины иш, называемой напряжением перезажигания, зажигается тлеющий разряд, переходящий в дуговой. Поэтому напряжение перезажигания не может быть больше напряжения сети ис.

С другой стороны, чтобы лампа могла гореть без пауз тока, должно выполняться соотношение

ил/ис< 1,41(2,45+ и2п/и2л.ср.)-0'5, (1)

где илср - среднее значение напряжения на разрядном промежутке за полупериод тока.

Длительные испытания серийно выпускаемых ламп со спиральными электродами различных производителей показывают, что с течением времени эксплуатации ламп в силу различных причин напряжение на разрядном промежутке постоянно возрастает по закону

илт=ил(1+0,01т), (2)

где т - время работы лампы в тысячах часов.

Объединяя выражения (1) и (2), получим формулу для расчета допустимого начального напряжения на лампе илн

Цш < 0,9 ис(1+0,01 т)"1- 1,41(2,45+и2ш/и2л ср )"0'5. (3)

Как свидетельствуют данные, полученные на основе анализа осциллограмм большого количества ламп, отношение напряжения перезажигания к среднему напряжению горения натриевых ламп высокого давления составляет 1,8. Подставив приведенное значение и величину напряжения сети, равную 220В в выражение (3), получим, что, при условии горения лампы в течение 15 тысяч часов, Ил„ < 100В. Как и следовало ожидать, мы получили напряжение, характерное для выпускаемых в настоящее время натриевых ламп высокого давления.

Применение спеченных электродов позволяет уменьшить соотношение

Как следует из осциллограммы (рис. 8), характерной для всех натриевых ламп высокого давления со спеченными электродами, величина указанного соотношения находится на уровне 1,4.

Преобразовав выражение (3) относительно т, получим:

т=[0,9ис-1,41илн-(2,45+и2ш/и2л.ср.)-°'5- 1] 100. (4)

Если считать, что начальное напряжение на лампе выбирается на уровне 100В, что логично с точки зрения сохранения существующих технологических процессов изготовления натриевых горелок, то подстановка в (4) ипз/ил ср =1,4 дает величину т =33 тысячи часов.

Рис. 8. Фрагмент осциллограммы напряжения и тока (синусоида) в натриевой лампе со спеченными электродами

Полученные данные подтверждаются протоколами испытаний, проведенных в независимых испытательных центрах светотехнической продукции ОАО «ЛИС-МА-ВНИИС», г. Саранск и «Shanghai Yangtai Lighting», КНР.

Общие выводы работе

1. Анализ причин деградации параметров натриевых разрядных осветительных ламп высокого давления в течение срока эксплуатации позволяет утверждать, что применение спиральных электродов служит сдерживающим фактором их дальнейшего развития.

2. Главные недостатки спиральных электродов - недостаточное количество эмиссионно-активного вещества и большие температурные градиенты по поверхности эмиссионной части.

3. Для выбора конструкции электродов применяются только эмпирические методы.

4. Радикальный способ устранения перечисленных недостатков - разработка спеченных электродов, обладающих более равномерным тепловым полем и возможностью увеличения запаса эмиссионно-активного вещества до любых требуемых количеств.

5. Разработаны алгоритмы и способы получения исходных составляющих спеченного электрода. Определены условия получения оптимальных параметров эмиссионно-активного вещества, вольфрамовой матрицы и кернов.

6. Для исследования фазового состава эмиссионно-активного вещества выбран рентгенофазовый метод, реализуемый посредством рентгеновского дифрак-тометра «ДРОН».

7. Разработан метод определения качества эмиссионно-активного вещества по вольтамперным характеристикам переходного процесса в разряде.

8. Выбран метод, разработана и изготовлена установка для измерения теплопроводности материала.

9. Расчетным методом найдено:

- при зажигании лампы, когда давление наполняющего газа внутри горелки находится на уровне 500-1500 Па, на стенку горелки в единицу времени осаждается в 50 раз, а на торец керна электрода в 100 раз больше распыленного материала электрода, чем в режиме установившегося дугового разряда;

- в рабочем режиме лампы, когда достигнутое давление паров наполняющих горелку металлов достигает атмосферного, лишь 10% испаряющихся атомов способны переместиться на торец керна и стенки горелки, а остальные из-за малых длин свободного пробега возвращаются на эмиссионную порерхность.

10. Экспериментально определен оптимальный эмиссйонно-активный состав спеченного электрода - композиция вида Ba2CaW06 + ВаАЮ4.

11. Методом рентгенофазового анализа исследован фазовый состав эмиссионно-активного вещества на последовательных стадиях изготовления спеченного электрода и определены способы получения его Оптимальных характеристик.

12. Исследована зависимость теплопроводности спечённой части электрода от количества эмиссионно-активного вещества в спеченной массе.

13. Металлографические исследования поверхности и объема спеченной части электрода позволили установить следующее:

- при температуре спекания, обеспечивающей требуемые механические свойства электродов, изготовленных с применением крупнозернистого вольфрама, на рабочей поверхности спеченной массы отсутствует эмиссионно-активное вещество;

- для одновременного выполнения требований по механическим и эмиссионным свойствам необходимо применение вольфрамового порошка с размером зерна на уровне 1 мкм и температуры спекания 1800 К.

14. Теплопроводность спеченной части электрода, изменяющаяся от 65 до 95 Вт/мК в зависимости от процентного содержания эмиссионно-активного вещества в вольфрамовой матрице, обеспечивает снижение температуры наиболее нагретой части электрода примерно на ЗООК по сравнению со спиральным электродом, одновременно снижая время перехода в дуговой разряд в 3-5 раз.

15. Изложенное в п.п; 5-14 и составляет физико-технологические основы разработки термоэмиссионных электродов для натриевых ламп высокого давления. Применение разработанных электродов позволило повысить световой поток натриевой лампы высокого давления на 7-8% и величину стабильности светового потока в процессе срока службы сохранить в пределах 18-20%, а долговечность довести до 32000 часов.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Особенности применения спеченных электродов для дуговых разрядных осветительных ламп / A.B. Тай [и др.] // Наукоемкие технологии. 2010. Т.11, №11. С. 34-36.

2. Эмиссионно-активное вещество для спеченного электрода натриевой лампы высокого давления / A.B. Тай [и др.] // Наукоемкие технологии. 2010. Т.11, №11. С. 29-33.

3. Прасиций В.В., Тай A.B., Пчелинцева Н.И. Техника получения и исследования спеченных электродов для разрядных осветительных ламп высокого давления // Наукоемкие технологии. 2013. Т.14, №7. С. 65-70.

16

4. Матвеев A.C., Инюхин М.В., Тай A.B. Технологические аспекты получения нанокомпозиционных материалов на основе вольфрама //НАНОИНЖЕНЕРИЯ-2010: Сборник трудов третьей Всероссийской Школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых. М., 2010. С. 80-84.

5. Кристя В.И., Прасицкий В.В., Тай A.B. Влияние разрядного режима на температуру электродов дуговых осветительных ламп // Тезисы докладов XL Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. М., 2010. С. 193.

6. Перенос и переосаждение эмиссионного вещества электродов в разрядной колбе дуговой ртутной лампы высокого давления / A.B. Тай [и др.] // Радиационная физика твердого тела: Труды XX Международного совещания. М., 2010. С. 425-432.

7. Прасицкий В.В., Тай A.B. Технологические аспекты изготовления спеченных электродов газоразрядных приборов // Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. М., 2011. С.72-75.

8. Тай A.B., Инюхин М.В. Исследование условий получения оптимальной структуры спеченных электродов // Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе: Материалы региональной научно-технической конференции. М., 2013. С.98-99.

9. Тай A.B. Исследование возможности повышения долговечности спеченных электродов газоразрядных ламп // Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе: Материалы региональной научно-технической конференции. М., 2013. С. 100-101.

Тай Александр Викторович

Физико-технологические основы разработки термоэмиссионных электродов для натриевых ламп высокого давления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 03.07.2013г. Формат бумаги 60x84/16. Печ.л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 131. Калужский филиал МГТУ им. Н.Э. Баумана. 248000 , г. Калуга, ул. Баженова, д.2

Общество с ограниченной ответственностью «ЭКОЛЮМ - ВОСХОД»

На правах рукописи

04201361254

Тай Александр Викторович

ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ТЕРМОЭМИССИОННЫХ ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ НАТРИЕВЫХ ЛАМП

ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Специальность 01.04.07 - физика конденсированного состояния

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: 11 , доктор технических наук Прасицкий Василий Витальевич

Калуга-2013г.

Содержание

Стр.

Введение................................................................................ 4

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА СОЗДАНИЯ ТЕРМОЭМИССИОННЫХ ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ ДУГОВЫХ РАЗРЯДНЫХ ЛАМП........................................................................... 13

1.1. Общие сведения о физических процессах взаимодействия эмиссионной поверхности электрода и разрядной плазмы.......................... 13

1.2. Функционирование электрода в условиях тлеющего разряда.....'.:. 15

1.3. Функционирование электрода в условиях дугового разряда.......... 17

1.4. Эволюция свойств термоэлектрода в тлеющем разряде............... 23

1.5. Эволюция свойств термоэлектрода в условиях установившегося дугового разряда................................................................ 24

1.6. Электроды, серийно применяемые в дуговых разрядных лампах высокого давления............................................................. 25

1.7. Перспективные электроды для осветительных натриевых ламп высокого давления............................................................. 30

Выводы по главе 1 и постановка задачи......................................... 31

ГЛАВА 2. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЭМИССИОННО-АКТИВНОГО ВЕЩЕСТВА, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ СПЕЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОДОВ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ИХ ПАРАМЕТРОВ................. 33

2.1. Способы получения экспериментальных образцов..................... 33

2.1.1. Получение эмиссионно-активного вещества...................... 33

2.1.2. Приготовление шихты................................................ 37

2.1.3. Изготовление кернов................................................... 38

2.1.4. Термическая обработка спрессованных заготовок электродов 40

2.2. Техника эксперимента......................................................... 42

2.2.1. Метод исследования эмиссионно-активного вещества......... 42

2.2.2. Способ определения качества эмиссионно-активного состава по вольтамперным характеристикам переходного процесса в

Стр.

газовом разряде......................................................... 44

2.2.3. Результаты исследования работы спеченных и спиральных

электродов в дуговом разряде....................................... 46

Выводы по главе 2................................................................... 53

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ПРИМЕНЕНИЯ СПЕЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОДОВ, ФОРМИРОВАНИЕ ИХ ОСНОВНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РАЗРЯДНЫМ НАТРИЕВЫМ ЛАМПАМ................................................................................. 54

3.1. Расчет плотности потоков эмиссионного вещества, осаждающегося на поверхности электродов и стенке разрядной колбы............. 54

3.2. Экспериментальное определение применимости эмиссионно-активных материалов для использования в разрядных натриевых лампах............................................................................. 62

3.3. Исследование температурных режимов спеченных электродов в условиях воздействия разрядной плазмы.................................. 67

Выводы по главе 3 .................................................................... 68

ГЛАВА 4. ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СПЕЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОДОВ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К УСЛОВИЯМ ИХ РАБОТЫ В НАТРИЕВЫХ ЛАМПАХ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ............................................ 69

4.1. Исследование фазового состава эмиссионно-активного вещества

на этапах его изготовления................................................... 69

4.2. Исследование фазового состава эмиссионно-активного вещества

на этапах изготовления спеченных электродов.......................... 72

4.3. Металлографический анализ образцов спеченных электродов...... 78

Выводы по главе 4.................................................................... 83

5. Заключение............................................................................ 84

Общие выводы по работе............................................................. 88

Литература............................................................................. 91

Приложение........................................................................... 101

ВВЕДЕНИЕ

Источники света (ИС), устройства дающие свет - вакуумные лампы накаливания, галогенные лампы накаливания, люминесцентные лампы, обычные и компактные, и, наконец, дуговые газоразрядные, как и современные - светодиодные, являются творением физиков разных поколений.

В настоящее время натриевые лампы высокого давления (ДНаТ) признаны наиболее эффективными источниками искусственного освещения. Благодаря их высокой светоотдаче, достигающей 150лм/Вт, и спектру мощностей от 50Вт до 3кВт, они применяются для освещения складских помещений, автомагистралей и карьеров, парников и теплиц.

В мировой практике доля ламп дуговых натриевых (типа ДНаТ) превышает половину всех источников наружного освещения и составляет почти 100% тепличного искусственного освещения. В связи с этим остается актуальным вопрос совершенствования этого типа ламп по пути увеличения их долговечности и снижения отрицательного воздействия на экологию: увеличение срока службы уменьшает количество утилизируемых ламп и, соответственно, снижает выбросы в окружающую среду продуктов их переработки.

Лампа типа ДНаТ содержит поликоровую горелку (горелка - герметично запаянная колба, внутри которой горит разряд) с герметично установленными в каждом из двух ее концов электродами. Кроме указанных элементов лампа включает в себя колбу из тугоплавкого стекла, ножку с токовводами, посредством которых осуществляется подача напряжения на разрядный промежуток, а также цоколь, на центральный контакт и боковую поверхность которого подается питающее напряжение.

Световые характеристики ламп типа ДНаТ, в том числе и наиболее важные - световой поток и световая отдача - зависят от физических свойств наполнения и давления паров испарившихся металлов, устанавливающегося в горелке. При работе лампы в насыщенных парах даже незначительные изменения температуры горелки вызывают резкое изменение их давления, а вместе с тем и всех характеристик разряда.

Для уменьшения зависимости характеристик от теплового режима работы горелки в лампах ДНаТ, она помещается в наружную колбу, внутренний объем которой откачан до высокого вакуума. При таких условиях зависимость основных параметров ламп типа от окружающей температуры становится менее существенной, что позволяет без ограничений использовать лампы при температуре окружающей среды от -40°С до +40°С.

Однако выполнение этого условия требует жесткого соблюдения условия: температура заэлектродной зоны горелки (наиболее холодное место горелки, в котором конденсируется натриево-ртутное наполнение) должна выдерживаться в строго заданных пределах.

В разрядных осветительных лампах высокого давления применяют самокалящиеся электроды. Вследствие высокой температуры и достаточно большой плотности тока, составляющей около 104 А/см2, электроды работают в тяжелом тепловом режиме. Плотность мощности, подводимая к электродам в месте «привязки» дуги, достигает 3-104Вт/см2. Рассеяние подобных плотностей мощности при помощи излучения с поверхности, на которую горит дуга, привело бы к неминуемому перегреву и крайне быстрому испарению эмиссионного материала.

Сохранение в таких условиях на рабочем участке поверхности электродов температуры, необходимой для их нормальной работы, возможно только путем отвода этого потока тепла за счет теплопроводности к другим участкам электрода, где это тепло может быть рассеяно с приемлемыми градиентами температуры.

Геометрические размеры электродов определяются из условия необходимого компромисса между сочетанием оптимальных температур торца вольфрамового керна Твк и спирали ТСп> обеспечивающих наилучшие условия для конкретного типа применяемого эмиссионного вещества.

В общем случае все спиральные электроды состоят из вольфрамового стержня (керна) с надетой двухслойной вольфрамовой спиралью. Промежутки между витками спирали, а иногда и пространство между керном и

спиралью, заполняется эмиссионным (эмиссионно-активным) веществом, в качестве которого используются оксиды, цирконаты, вольфраматы щелочноземельных, а также оксиды редкоземельных металлов.

Спиральные электроды, применяемые в течение нескольких десятилетий, имеют несколько существенных недостатков.

Так, количество активного вещества ограничивается возможностью механической адгезии к поверхности вольфрамовой спирали и на практике находится на уровне порядка 2,5 мг. Вследствие различных коэффициентов термического расширения вольфрама и активатора происходит разрушение и осыпание последнего в результате жестких термоциклов при включении и выключении лампы.

Двухслойная спираль, надетая на керн, имеет очень малую и, в общем случае, существенно изменяющуюся площадь контакта как с керном, так и между собственными соседними витками. Поэтому наблюдается существенный градиент температуры по длине электрода, достигающий нескольких сотен градусов и изменяющийся от образца к образцу.

Неоптимальное распределение температуры по электроду на стадии дугового разряда приводит к ускоренному испарению активатора, снижая долговечность лампы, а также световой поток.

Анализ процессов деградации параметров дуговых ламп позволяет утверждать, что самым слабым звеном в их конструкции является электрод. Повсеместно применяемый в настоящее время спиральный электрод практически не претерпел изменений с начала массового производства этих ламп. Малая масса эмиссионного материала, ненадежное закрепление ее на электроде, особенно заметное в режиме термоциклов, приводит к отказам в зажигании из-за осыпания эмиссионного материала, а высокий уровень распыления, особенно в стадии разгорания лампы, приводит к снижению надежности поджига, а также к значительному снижению светового потока вследствие запыления стенок горелки.

Следует особо подчеркнуть сложность решения поставленной задачи,

обусловленной, с одной стороны, многочисленностью разнородных физических процессов взаимодействия плазмы тлеющего и дугового разрядов с композиционной поверхностью электрода, малым объемом газового наполнения в отпаянной горелке лампы, а, с другой стороны, практическим отсутствием комплексных теоретических исследований в данной области, обусловившим отсутствие инженерных методов расчета и контроля параметров электродов.

Поскольку основные характеристики электродов формируются в процессе их изготовления и на начальной стадии тренировки ламп, определение закономерностей, связывающих основные параметры электродов с параметрами технологического процесса их изготовления, учитывающих реальные конструкции и режимы работы в лампах, важен поиск способов их получения.

Одним из способов увеличения долговечности лампы при снижении ее себестоимости является применение спеченных электродов, обладающих набором характеристик, отсутствующих у серийно применяемых в мировой практике спиральных электродов с нанесенным на их поверхность микрослоем эмиссионно-активного вещества. Среди потенциальных преимуществ спеченного электрода - увеличенное в 5-10 раз количество эмиссионно-активного вещества, его объемное расположение, повышенная эмиссионная способность и более низкая рабочая температура.

Учитывая тот практический факт, что параметры натриевых ламп в решающей степени определяется качеством примененных электродов, постоянно актуальной задачей остается совершенствование их конструкций и состава эмиссионного материала.

Природа эмиссионно-активного вещества влияет на такие важные свойства электродов, как скорость испарения бария, эмиссионная способность и устойчивость к отравлению остаточными газами. Активное вещество должно обладать следующими основными свойствами:

- способностью выделять необходимое количество активатора (бария)

при взаимодействии с восстановителем;

- незначительным выделением газов при обработке электрода;

- достаточной устойчивостью на воздухе;

- заданной температурой плавления.

В настоящее время при изготовлении электродов для дуговых источников излучения в качестве эмиссионно-активного материала широко применяются материалы, изготовленные на основе метацирконатов бария BaZrOз, вольфраматов бария-иттрия ВаОУгОз-АЮз и вольфраматов бария-кальция типа Ва2Са\\Юб.

Метацирконаты применяются преимущественно в дуговых разрядных источниках излучения, долговечность которых находится на уровне 5 — 7 тысяч часов.

Смеси вольфраматов бария-кальция и оксида иттрия, а также вольфра-мата бария-кальция применяются в изделиях таких фирм как «Оэгат», «РЬНурз», выпускающих продукцию более высокого качества, способную работать в течение 20 — 24 тысяч часов.

Другой класс эмиссионно-активных материалов, который применяется, в основном, при изготовлении импрегнированных (пропитанных) катодов представляется алюминатами бария-кальция типа (3-х)ВаОхСаОА12Оз. При определенных значениях «х» состав обладает высокими эмиссионными свойствами, достаточно высокой устойчивостью к внешним воздействиям. Следует отметить, что в литературе нет никаких сведений о его применении в качестве эмиссионно-активного материала для электродов дуговых источников освещения.

Научно-технические основы разработки электродов для газоразрядных ламп были заложены в работах Г.Н. Рохлина, В.И. Кристи, А.П. Коржавого, В.И. Морокова, Е.С. Савранской, В.В. Прасицкого, Р.И. Хабибулина, М.Р. Фишера и др.

Физико-технологические основы разработки термоэлектронных композиционных электродов на основе новых материалов для натриевых ламп вы-

сокого давления пока не сформулированы. Устранение этого пробела и является основной целью настоящей работы.

Актуальность работы. Сложность достижения поставленной цели обусловлена, с одной стороны, многообразием разнородных физических процессов взаимодействия плазмы тлеющего и дугового разрядов с композиционной поверхностью электрода, малым объемом газового наполнения в отпаянной горелке лампы, а, с другой - недостаточным количеством комплексных теоретических и экспериментальных исследований в данной области, обусловившим отсутствие инженерных методов расчета и контроля параметров электродов.

Поэтому данная диссертационная работа, направленная на проведение ряда исследований в областях физики как конденсированного состояния, так и радиационного взаимодействия плазмы с поверхностью твердого тела, результаты которых будут положены в основу разработки новых технологических способов изготовления электродов с оптимальным составом эмиссион-но-активного вещества, размещенного в матрице из вольфрамового порошка, закрепленной на керне, является весьма важной и актуальной..

Для достижения поставленной цели предложены и решены следующие задачи. Исходя из анализа литературных источников, требований разработчиков разрядных ламп, существующего мирового уровня выпускаемой продукции и требований его повышения, установлено, что электроды должны обеспечивать следующие параметры:

- ресурс работы - не менее 28 тысяч часов;

- спад светового потока к концу срока службы - не более 20%;

- увеличение ресурса работы в режиме частых включений в 2-3 раза.

Поскольку основные характеристики спеченных электродов формируются в процессе их изготовления и на начальной стадии тренировки ламп, определение закономерностей, связывающих основные параметры электродов с характеристиками условий их изготовления, учитывающих реальные конструкции и режимы работы в лампах явилось первой задачей работы.

Вторая задача - разработка конкретных конструкций электродов, учитывающих условия их эксплуатации при радиационном воздействии плазмы дугового разряда разных мощностей. И третья задача - испытание спеченных электродов в составе натриевых ламп высокого давления с последующим анализом полученных результатов.

Основные научные цели работы.

1. Разработка эмиссионно-активного материала спеченных электродов для натриевых разрядных ламп высокого давления с рациональными физическими параметрами, обеспечивающего ресурс работы ламп на уровне, превышающем 25 тысяч часов.

При этом должны быть определены и разработаны методики исследований и аналитическое оборудование;

2. Исследование:

- зависимостей физических параметров эмиссионно-активного вещества электродов от способов его изготовления;

- зависимостей физических параметров эмиссионно-активного вещества электродов от способов его введения в вольфрамовую матрицу;

- распределения эмиссионно-активного вещества (ЭАВ) на поверхности и в объеме матрицы;

- взаимосвязи светотехнических параметров натриевых ламп высокого давления параметров примененных в них спеченных электродов

Научная новизна полученных результатов. В ходе выполнения диссертационной работы были впервые получены следующие результаты:

- разработан метод определения применимости разли�