Исследование модуляции излучения и проводимости приэлектродной области в разрядных источниках света тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

МАЙОРОВ АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ МОДУЛЯЦИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ И ПРОВОДИМОСТИ ПРИЭЛЕКТРОДНОЙ ОБЛАСТИ В РАЗРЯДНЫХ ИСТОЧНИКАХ СВЕТА

Специальность 01 04 05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

003 165529

САРАНСК - 2008

Работа выполнена на кафедре экспериментальной физики Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет им Н П Огарева»

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

профессор

Горюнов Владимир Александрович.

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Федореико Анатолий Степанович кандидат физико-математических наук, Ушаков Сергей Николаевич

Ведущая организация - Пензенский государственный университет

Защита состоится «19» марта 2008 г в 14°° часов на заседании диссертационного совета Д 212 117 13 при ГОУВПО «Мордовский государственный университет им Н П Огарева» по адресу 430000, г Саранск, ул Большевистская, д 68, ауд 243

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Мордовский государственный университет им Н П Огарева»

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу 430000, г Саранск, ул Большевистская, д 68а, ГОУВПО «Мордовский государственный университет им Н П Огарева», Диссертационный совет Д 212 117 13

Автореферат разослан « Г/* »-февраля 2008 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212 117 13 к т н , доцент

Кошин И.Н.

Общая характеристика работы Актуальность темы. На долю современных разрядных источников света в экономически развитых странах мира приходится более 80% вырабатываемого светового потока и в будущем эта доля будет возрастать

Принято считать, что приэлектродные области разрядных источников света определенным образом влияют на оптические и электрические характеристики газового разряда

При зажигании разрядных источников света было отмечено, что процесс перехода из тлеющего в стационарный дуговой разряд проходит через состояние с быстро перемещающимися светящимися пятнами, характерными для «холодного катода» Однако, механизм этого явления, применительно к катодной области разрядных источников света, не изучался

Механизмы изменения проводимости прианодной области в источниках света, сопровождаемые возникновением импульсов излучения, также слабо исследованы Модуляция излучения и проводимости в этой области проявляется в периодическом возникновении световых импульсов, изменении анодного падения напряжения, при этом амплитуда колебаний анодного падения достигает величин, равных потенциалу ионизации наполняющего лампу газа Влияние состава и давления газового наполнения, а также влияние конструктивных параметров анода на процесс модуляции излучения и проводимости исследованы недостаточно Актуальность изучения процессов генерирования импульсного излучения, возникающего в прианодной области, определяется возможностью использования этого явления при разработке импульсных источников света

Модуляция проводимости прианодной области разряда в люминесцентных лампах (ЛЛ), работающих на переменном токе, оказывает влияние на оптические и электрические характеристики катодного пятна (КП) При возникновении анодных колебаний, тепловое излучение области КП в анодный полупериод уменьшается, изменяется характер свечения и доля ионного тока, приходящего в КП в катодный полупериод Связь этих характеристик с эксплуатационными параметрами разрядных источников света не учитывалась

Актуальность проведенных исследований определяется важностью полученной информации о процессах модуляции излучения и проводимости приэлектродных областей в разрядных источниках света, что необходимо для улучшения их рабочих характеристик

Цель работы и основные задачи.

Целью диссертационной работы является исследование модуляции излучения и проводимости приэлектродной области в разрядных источниках света, включающее в себя исследование условий возникновения взрывной электронной эмиссии на катоде, характеристик модуляции излучения и проводимости прианодной области, их влияние на эксплуатацион-

ные характеристики разрядных источников света, а также спектроскопическое исследование приэлектродной плазмы

Были поставлены следующие научно-технические задачи:

1 Создать установку для измерения электрических и оптических характеристик приэлектродной области разрядных источников света

2 Экспериментально исследовать оптические и электрические характеристики взрывной электронной эмиссии в разрядных источниках света

3 Провести исследование спектральных характеристик приэлектродной области разряда в процессе зажигания и стационарного горения в разрядных источниках света

4 Исследовать зависимость оптического излучения в прианодной области и анодного падения напряжения от конструкции анода, состава газового наполнения и электрических характеристик разряда

5 Обосновать теоретически и предложить методику регистрации изменений температуры электрода с использованием его излучения в инфракрасной (ИК) области спектра

6 Обосновать возможность и предложить конструкции пускорегули-рующих устройств для ламп высокого и низкого давления, работающих на постоянном токе и обеспечивающих при холодном зажигании продолжительный срок службы

Объект и методы исследования

Основным объектом исследования являются разрядные источники света, их электроды и приэлектродная плазма

Для исследования оптических и электрических характеристик электродов и приэлектродной плазмы использовались различные методы

1 Спектральный метод регистрации быстропротекающих процессов в приэлектродной плазме

2 Зондовый метод для измерения потенциала плазмы, а также для измерения скорости распыления эмиссионного покрытия катода

3 Фотоэлектрический метод измерения приращения температуры электрода, в различных его областях, по ИК излучению

Научная новизна:

1 Впервые показано, что в процессе «холодного» зажигания разрядных источников света реализуется механизм взрывной электронной эмиссии (ВЭЭ)

2 Впервые показано, что местом локализации импульсов оптического излучения при анодных колебаниях в люминесцентных лампах является область между отенкой колбы и сетевым вводом

3 Впервые показано, что при возникновении анодных колебаний тепло-

вое излучение с поверхности анода уменьшается

4 Предложен механизм, объясняющий развитие пробоев и возникновение излучения в прианодной области для разряда в смеси аргона со ртутью для давлений, характерных для люминесцентных ламп

5 Предложен способ вычисления теплоемкости области катодного пятна в разрядных источниках света, работающих на переменном токе, по его тепловому излучению

6 Предложен способ вычисления изменения ионной составляющей тока на катоде, при работе разрядного источника света на переменном токе, используя распределение ИК излучения по периоду

Практическая ценность.

1 Разработаны установки для измерения электрических, спектральных, температурных характеристик разрядных источников света

2 Предложенный метод динамических температурных характеристик, основанный на регистрации теплового излучения, позволяет оптимизировать конструкцию электродов разрядных источников света

3 Результаты работы позволяют рекомендовать для применения в ЛЛ малогабаритные синтерированные катоды

4 Предложен источник частотно-модулированного импульсного излучения, возникающего при модуляции проводимости прианодной области

5 Предложен способ повышения срока службы люминесцентных ламп при «холодных» зажиганиях, заключающийся в том, чтобы перед отключением лампа работала в стационарном режиме не менее 15-20 мин

6 Предложены конструкции пускорегулирующих устройств для ламп высокого и низкого давления, работающих на постоянном токе и, при холодном зажигании, обеспечивающих продолжительный срок службы

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту

1 Возникающие в процессе «холодного» зажигания разрядных источников света светящиеся пятна на катоде, обусловлены взрывной электронной эмиссией Спектральные характеристики излучения при этом определяются материалом катода Минимальный ток ВЭЭ зависит от конструкции ламп, эмиссионного вещества электродов, а также от состава газово1 о наполнения

2 Распределение излучения ртути вдоль анода ЛЛ указывает на то, что при наличии анодных колебаний ток притекает на анод в основном со стороны стенки лампы ближней к сетевому вводу Анодное падение в ЛЛ не превышает потенциала ионизации ртути и существенно не ме-

няется при уменьшении площади анода до 25 мм2 и его увеличении до диаметра газоразрядной трубки При возникновении анодных колебаний тепловое излучение анода уменьшается Частота импульсов света, генерируемого в прианодной области, растет при увеличении силы тока

3 Излучение приэлектродной области в разрядных источниках света модулируется как протекающим током, так и магнитным полем Исследование модуляции излучения в широкой области спектра позволяет раскрыть физические основы работы электродов разрядных источников света - механизмы переноса вещества эмиттера, механизмы электронной эмиссии

4 Получены расчетные формулы для описания ИК излучения, генерируемого электродом ЛЛ, позволяющие определить изменения температуры, доли ионного тока, значение теплоемкости катодного пятна

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Межрегиональной научной школе для студентов и аспирантов «Материалы нано-, микро-, и оптоэлектроники физические свойства и применение», Саранск, 2005-2007, X научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов МГУ им Н П Огарева «Естественные и технические науки», Саранск, 2005, VI Международной Светотехнической конференции, Калининград - Светлогорск, 2006, IV Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики», Саранск, 2006, V Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики полупроводников и источников света», Саранск, 2007, V Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики», Саранск, 2007

Личный вклад автора состоит в получении, обработке и обсуждении полученных экспериментальных данных, в подготовке материалов к публикации Постановка цели и задач исследования, а также обсуждение полученных результатов проводилось совместно с научным руководителем Ключевые публикации по теме работы написаны лично диссертантом

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, включающих 2 патента, а также статьи в отечественных журналах, сборниках трудов конференций и совещаний (3 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАКом)

Объем работы.

Диссертационная работа состоит их введения, пяти глав, заключения, списка литературы Объем диссертации 145 страниц, включающих 63 рисунка и 6 таблиц Список литературы содержит 117 наименований

Краткое содержание работы. Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, ее научная новизна, практическая значимость, основные положения и результаты, выносимые на защиту

В первой главе выполнен обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных изучению оптических и электрических явлений в приэлектродных областях разрядных источников света Приведены результаты спектрометрических измерений характеристик приэлектродной плазмы Рассмотрены процессы, сопровождающие протекание тока в катодный и анодный полупериоды

Рассмотрено явление взрывной электронной эмиссии, впервые наблюдавшееся в приборах электронной техники Взрывной электронной эмиссией (ВЭЭ) называют испускание электронного тока с поверхности проводника, являющегося катодом, вследствие взрыва микроскопического объема на его поверхности Взрыв микрообъема металла и возбуждение ВЭЭ может происходить по различным причинам наиболее распространенный способ возбуждения ВЭЭ - быстрый нагрев микроучастков катода электрическим током большой плотности

Установлено, что электроны проводимости, перенося электрический ток, приносят из глубины катода к границе эмиссии среднюю энергию на один электрон, близкую к энергии Ферми Электроны эмиссии, при достаточно больших полях у катода, уносят с катода среднюю энергию на один электрон, меньшую энергии Ферми В результате в катоде вблизи границы эмиссии накапливаются горячие электроны, что обеспечивает локальный разогрев катода Это приводит, в свою очередь, к локальному увеличению электросопротивления и бурному выделению джоулева тепла, что является второй составляющей теплового разрушения При высоких плотностях тока (108 А/см2 и выше) процесс может быть настолько интенсивным, чго приводит к взрывообразному разрушению отдельных участков катода Из продуктов эрозии катода образуется прикатодная плазма, то есть газ, состоящий из электронов и ионов различной кратности заряда Концентрация электронов в этой плазме высока, энергия связи их с положительными ионами мала, что обеспечивает высокую эмиссию электронов (плотность тока на несколько порядков выше других видов электронной эмиссии) из этого сгустка плазмы

Однако, для объяснения процессов, проходящих в катодной области разрядных источников света, ВЭЭ не рассматривалась

Оценка анодных процессов при протекании тока в разрядных источниках света, приводимая в литературе является в основном качественной Анодная площадь в источниках света недостаточна для обеспечения отрицательного или нулевого анодного падения Появляются электроны с энергией, обеспечивающей дополнительную ионизацию, при этом плотность плазмы возрастет и становится достаточной для того, чтобы собрать необходимый электронный ток без положительного анодного падения Анодное падение при этом резко снижается до нуля и дополнительная ионизация прекращается Как следствие, анодное падение изменяется во времени с частотой около 1000 Гц

Однако, данные о зависимости величины анодного падения от площади анода и состава и давления наполняющих ЛЛ газов в литературе отсутствуют Отсутствуют данные о распределении тока по площади анода, месте локализации импульсов оптического излучения при анодных колебаниях и их спектральном составе

Одним из определяющих параметров электродов разрядных источников излучения является температура эмиттирующей поверхности - катодного пятна (КП) Наибольшее распространение получили бесконтактные способы измерения температуры — пирометрические и фотоэлектрические Кроме температуры объекта на параметры потока излучения оказывает влияние отраженное от электрода излучение разряда Для устранения влияния излучения разряда проводились измерения в инфракрасной области спектра, «отрезая» видимое излучение германиевым светофильтром В качестве фотоприемника ИК излучения использовали германиевый диод, область чувствительности которого охватывает видимую и ближнюю ИК область спектра (до 1,9 мкм)

Однако результаты этих измерений не позволяли определять не только абсолютное значение температуры, но и величину ее изменения во времени при работе лампы, если только характеристики испускательной способности зоны КП не были известны

Анализ литературы, приведенный в первой главе, позволил выделить вопросы, возникающие при описании приэлектродных явлений в разрядных источниках света, и сформулировать задачи, решаемые в диссертационной работе

Во второй главе даны описание и схемы экспериментальных установок

■ для одновременного измерения электрических и оптических характеристик приэлектроднои области в разрядных источниках света высокого и низкого давления при их питании постоянным и переменным токами,

■ для измерения колебаний температуры электродов ламп, работающих на переменном токе, по их инфракрасному излучению,

для измерения минимального порогового тока взрывной электронной эмиссии, она позволяет измерять пороговые токи от 0,01 А до 10 А,

для измерения зондовых характеристик приэлектродной плазмы в разрядных источниках света

Блок схема установки для спектральных измерений одновременно в видимой и инфракрасной областях спектра приведена на рис 1 Исследуемая лампа 1, фокусирующие линзы 2, диафрагмы 3 и блок 4 после юстировки жестко закреплялись на одном металлическом рельсе, исключающем взаимные перемещения Блок 4 представлял собой быстродействующий ИК фотоприемник с германиевым фотодиодом и служил для измерения ИК излучения электродов Описаны методы изготовления специальных люминесцентных ламп, снабженных зондами Ленгмюра, с анодами различной площади от 25 мм2 до 600 мм2

Предложена методика измерения скорости напыления эмиссионного материала на элементы арматуры лампы, изготовлены специальные ЛЛ, снабженные зондами Ленгмюра с катодами различной конструкции

Рис 1

Третья глава посвящена изучению модуляции излучения и проводимости прикатодной области Показано, что взрывные процессы на катоде разрядных источников света приводят к инициированию неустойчиво-стей, проявляющихся в модуляции электропроводности приэлектродной области и появлению в спектре свечения, характерного для материала катода

Исходя из того, что важнейшим параметром, характеризующим условия возникновения ВЭЭ, является определенная плотность тока, были проведены измерения величин этих токов для различных типов разрядных источников света высокого и низкого давления Минимальный ток возникновения ВЭЭ (1„РЛШ„) зависит от конструкции ламп, материала их электродов, эмиссионного вещества электродов, а также от состава наполнения В таблицах 1-2 представлены результаты для разрядных источников высокого (таблица 1) и низкого (таблица 2) давления

Для исследования взрывной электронной эмиссии в разрядных источниках света высокого давления использовали горелки как серийных ламп, так и специально изготовленных Лампа ДРЛ-1 наполнена смесью аргона с 20% неона при давлении 20 мм рт ст Лампа ДРЛ-2 наполнена

только аргоном при давлении 4 мм рт ст Эти лампы изготовлены в кварцевой колбе с электродами и по технологии производства ламп типа ДРЛ

Для исследования взрывной электронной эмиссии в разрядных источниках света низкого давления использовали ЛЛ типа ЛБ-20 с прямыми и триспиральными электродами Название ламп содержало обозначение типа лампы (ЛБ-20), цифру (порядковый номер лампы) и букву (П-прямай электрод, Т-триспиральный электрод)

Таблица 1

Тип лампы ДНаТ-400 ДНаТ БР-70 ДРЛ-1 ДРЛ-2 ДРЛ-400 ДРИШ-570 ДРИ-40С)]

1 А 1ПрЛШН , ' ' 1 1,1 1,5 1,63 3 3,5 4

Таблица 2

Тип лампы ЛБ-20-1Т ЛБ-20-ЗТ ЛБ-20-2Т ЛБ-20-2П ЛБ-20-ЗП ЛБ-20-1П

1пр МШИ А 0,21 0,23 0,24 0,303 0,36 0,45

Из данных таблиц 1-2 видно, что для различных ламп минимальный ток 1„рМит при котором возможна ВЭЭ, имеет различное значение Для ламп высокого давления - самое малое значение 1прм1т у лампы ДНаТ-400, самое большое - у ДРИ-400 Для ламп низкого давления - меньшее значения 1„рмШ1 у лампы ЛБ-20-1Т, наибольшее - у ЛБ-20-1П Эти факты являются следствием различной конструкции электродов ламп, а также различным их наполнением

На рис 2 представлены осциллограммы, характеризующие процесс зажигания лампы ДНаТ БР-70 при питании однополярным током Ток достигает максимального значения 2 А через 20 мкс с момента подачи зажигающего импульса В дальнейшем устанавливается ток 1 А, характерный для стационарного режима горения лампы Максимальный ток обеспечивается эмиссией с холодного катода, что характерно для ВЭЭ

На рис 3 приведены осциллограммы, характеризующие процесс зажигания лампы типа ЛБ-20, питаемой однополярным током После подачи зажигающего импульса длительностью 20 мкс, через лампу течет ток, ограниченный сопротивлением Я, который достигает 0,7 А (кривая 1), что соответствует напряжению на лампе 15В (кривая 2) Такие параметры разряда можно обеспечить при холодном катоде если механизмом эмиссии является ВЭЭ Низкое напряжение на лампе сохраняется на протяжении 1 мс после того, как прекратился зажигающий импульс В дальнейшем напряжение на лампе возрастает до 50 В, ток уменьшается до 0,6 А Наблюдаются существенные флуктуации тока, представленные на осциллограмме в виде высокочастотных шумов В этот период наблюдается заметная интенсивность излучения бария (рис 3 кривая 3) По мере прекращения пере-

ходных процессов (~20 мс) лампа входит в режим стационарного горения с термоэмиссионным КП.

Исследование спектрального состава излучения, генерируемого при «холодном» зажигании компактных люминесцентных ламп, их электрических характеристик указывает на то, что механизм ВЭЭ реализуется и в этом случае. Испытания на срок службы ламп типа КЛ 9, питаемых одно-полярным током, показали, что эти лампы выдержали 5000 мгновенных зажиганий, при общем сроке службы более 7000 ч. Для достижения этого результата необходимо, чтобы перед отключением лампа работала в стационарном режиме не менее 15-20 мин. Пятно формируется на границе оксида и непокрытой оксидом вольфрамовой спирали, так, что при зажигании катод работает в режиме плёночного катода. Механизм эмиссии при зажигании - взрывная электронная эмиссия.

Рис.2.

Осциллограмма тока (1) и напряжения (2) при зажигании лампы ДНаТ-БР-70. Развёртка - 50 мкс/дел, ток - 0,5 А/дел, напряжение - 50 В/дел.

Рис.3.

Осциллограммы тока (1), напряжения (2), интенсивности излучения Ва (455,2нм) (3), характеризующие процесс «холодного» зажигания лампы типа ЛБ20.

Четвёртая глава посвящена исследованию модуляции излучения и электропроводности прианодной области.

Показано, что анодное падение в ЛЛ не превышает потенциала ионизации ртути и существенно не меняется при уменьшении площади анода до 25 мм" также как и при его увеличении до диаметра газоразрядной трубки (рис.4).

В диссертации рассмотрены процессы возникновения анодных колебании, ответственных за модуляцию излучения и проводимости прианодной плазмы. Выявлено, что в ЛЛ анодные колебания возникают при анодном падении потенциала не превышающем потенциал ионизации ртути. Также установлено, что с увеличением площади анода с 25 мм" до 140 мм" амплитуда анодных колебаний уменьшается с 10 В до 7 В, а частота с 10 кГц до 3 кГц. При изменении давления наполняющего лампу аргона величина анодного падения потенциала также изменяется - при увеличении

давления аргона £/„ несколько уменьшается. В прианодной области возникают импульсы свечения плазмы (рис.5). Появляются они синхронно с пробоями в прианодной области. Это явление можно использовать при создании источника частотно модулированного излучения.

Показано, что при наличии анодных колебаний ток течёт в сторону анода в основном со стенки лампы, ближней к сетевому вводу и сопровождается понижением температуры анода.

иа, В

500 мм~

иа,Е 7.5 5 2,5

Ф, отн.еД] 0,75 0,5 0,25

(Г

п г

/ /

/ 1 /а

) I /

\ \ \ \

б

V к

0,25

0,75

1.0 I, мс

Рис.4.

Зависимость величины анодного падения потенциала и„ от площади 5 анода для ламп типа ЛБ-20. Ток разряда: 1 - 0,2А; 2 - 0,ЗА; 3 -0,4А.

Рис.5.

Колебания анодного падения потенциала иа - (а) и светового излучения Ф - (б) в зоне анодного пятна для лампы типа ЛБ-20 при токе 0,3 А

Пятая глава посвящена изучению модуляции излучения приэлек-тродной области и электрода, расчету характеристик катодного пятна люминесцентных ламп, работающих на переменном токе.

Установлено, что интенсивность ИК излучения зоны КП в катодный полупериод определяется не только энергией, разогревающей КГ1 в катодный полупериод, но и энергией, выделившейся в этой области в анодный полупериод.

Разработан метод расчёта динамических температурных характеристик; предложена формула для вычисления приращения температуры КГ1 ЛЛ. работающих на переменном токе промышленной частоты, по его излучению в ИК области (1=1,6 мкм). Приращение температуры ЛТ можно определять по формуле:

¿)Г = 1п^М88 (1)

где 7/ - сигнал с фотоприемника при минимальной температуре КП (точка 1 рис 6), /2 _ сигнал с фотоприемника с температурой КП Т+АТ (точка 2 рис 6)

Из**

2,5мс

Рис 6 Рис 7

Зависимости тока через ЛЛ - (а) Зависимости тока I в спирали электро-и тока ] фотоприемника - (б), от Да (а) и переменной составляющей тем-времени «О» тока пературы КП электрода(б), от времени

фотоприемника - пунктир 1 - АТШ при / =0, 2 - сПУск при / = 1А

С„=-

(2)

В работе теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность расчета теплоемкости КП по данным динамических температурных характеристик Разработана методика и вычислена теплоемкость катодного пятна и других участков электрода в люминесцентной лампе При измерениях электрод ЛЛ нагревали от внешнего источника переменного тока, регистрировали его ИК излучение, определяли скорость нарастания температуры при разных значениях тока Конечная формула для вычисления теплоемкости КП предложена в виде

¡ж

50 (Д Л

где 1лил/50 - мощность накала электрода, приходящаяся на область КП,

{л}, [лу_

На рис 8 представлены осциллограммы напряжения и распределения по периоду фототока, вызванного ИК излучением области КП в ЛЛ, работающих на переменном токе, при отсутствии (рис 8а) и наличии анодных колебаний (рис 86) Приведенные данные показывают, что при наличии анодных колебаний, интенсивность ИК излучения зоны КП в анодный полупериод ниже, чем при их отсутствии

Данные о теплоемкости катодного пятна, совместно с динамическими температурными характеристиками, позволили определить изменение доли ионного тока в КП на протяжении полупериода в зависимости от конструкции электрода, его теплового режима и срока службы ЛЛ Формула для вычисления изменения доли ионного тока получена в виде

производные функции T(t) в точках, где 1 = 1Л и / = 0 (рис 7)

1-(и1+и,) \Л Л) где Ц! и /112 — доли ионного тока при одинаковом мгновенном значении тока 1 через лампу в первой и во второй половинах полупериода, Ск~ теплоёмкость области КП, / — значение тока для двух разных моментов времени за полупериод в которых /у=/2=/, £Л- - катодное падение напряжения; и, - потенциал ионизации инертного газа, ( — ) и ( — | - производные функции в

I Л ), ^ Л ),

точках 1 и 2.

. анодный 'полупериод1

i анодный ,

1полу период'

Рис.8. Распределение по периоду фототока, вызванного ИК излучением области КП (1) и напряжения (2) на лампе в анодный полупериод, а) - при отсутствии анодных колебаний; б) - при наличии анодных колебаний.

Расчеты показали, что в течение одного катодного полупериода, даже при одинаковом мгновенном значении тока через лампу, доля ионного тока уменьшается на 1/3 во второй половине полупериода, по сравнению с первой. Также показано, что при возникновении анодных колебаний в ЛЛ, работающей на переменном токе, доля ионного тока в катодный полупериод увеличивается на 1/4 часть от случая, когда анодные колебания отсутствовали.

Качественным подтверждением того, что ионы, бомбардирующие область КП, вырывают Ва с поверхности катода, являются результаты анализа зависимостей интенсивностей излучения Ва, и Аг от времени в катодный полупериод. Измерения проводились одновременно в видимой и инфракрасной областях спектра. Изображение КП проецировали на щель спектрометра и ИК фотоприёмника. На рис.9.а приведены осциллограммы напряжения (1) на лампе и тока (2) через неё, а также осциллограмма показывающая зависимость интенсивности излучения Ва (Х=455,2 нм) от времени (3). Здесь же приведена зависимость интенсивности излучения КП в

ИК области (^=1,6 мкм) (4) от времени. Из рис.9.а видно, что зависимости 2 и 3 похожи, однако излучение возникает позже и пропадает раньше того, когда ток через лампу переходит через ноль.

Рис.9.

Осциллограммы напряжения (1) на лампе; тока (2) через неё; интенсивности излучения (3): а) - Ва (А,=455,2 нм), б) - Н^ (А.=435,9 нм); интенсивности излучения КП в ИК области (Х=1,6 мкм) (4)

Совсем другая зависимость свечения Щ (Х=435,9 нм) рис.9.б Излучение возникает в начале катодного полупериода и его интенсивность определяется величиной тока. Аналогичная зависимость распределения интенсивности излучения по катодному полупериоду получена и для Аг.

Считается, что катодное падение в ЛЛ в течение полупериода меняется незначительно и остается несколько больше потенциала ионизации 11« и больше потенциала ионизации Ва. Между тем, замечено (рис.9.а), что свечение Ва (кривая 3) появляется позже, чем свечение (рис.9.б). Объясняется это тем, что присутствие атомов и Аг внутри ЛЛ определено технологией изготовления и не зависит от режима работы КП, а Ва появляется в приэлектродной области только за счёт его удаления с эмитти-рующей поверхности катода за счёт ионной бомбардировки и теплового испарения. Выше было показано (см. формулу 3), что увеличение доли ионного тока, приходящего в КП, приводит к увеличению скорости нарастания температуры и, следовательно, к увеличению скорости нарастания интенсивности ИК излучения. Из рис.9,а видно, что максимум свечения Ва совпадает с максимальной скоростью нарастания ИК излучения (зависимость 4). Таким образом можно утверждать, что важным фактором, определяющим появление Ва в приэлектродной области разряда, является распыление эмиссионного материма катода ионами газа.

В заключении изложены результаты и выводы работы Основные результаты и выводы.

1 Взрывные процессы на катоде разрядных источников света приводят к инициированию неустойчивостей, проявляющихся в модуляции излучения и электропроводности приэлектродной области

2 Минимальный ток возникновения ВЭЭ зависит от материала катода, эмиссионного вещества, а также от наполнения источника света и изменялся в диапазоне от 0,2 до 4 А

3 Спектроскопические исследования позволили выявить механизм появления бария на неоксидированной части электрода - напыление из области КП в стационарном рабочем режиме

4 Частота импульсов света, генерируемого в прианодной области, увеличивается при увеличении силы тока, что позволяет реализовать частотную модуляцию Область генерации импульсов света расположена вблизи сетевого ввода со стороны стенки лампы Анодное падение существенно не меняется при уменьшении площади анода вплоть до 25 мм2 и его увеличении до диаметра газоразрядной трубки

5 Разработан метод расчета динамических температурных характеристик, основанный на регистрации ИК излучения, предложена формула для вычисления приращения температуры КП ЛЛ, работающих на переменном токе, по его тепловому излучению при скоростях изменения температуры до 105 К/с

6 По данным измерений в ИК области спектра показано, что в люминесцентной лампе, работающей на переменном токе, доля ионного тока, приходящего на область КП, не постоянна В течение каждого катодного полупериода, даже при одинаковом мгновенном значении тока через лампу, доля ионного тока уменьшается во второй половине полупериода на 1/3, по сравнению с первой При возникновении анодных колебаний в ЛЛ, работающей на переменном токе, доля ионного тока в катодный полупериод увеличивается на 1/4 часть от случая, когда анодные колебания отсутствовали

7 Предложены пускорегулирующие устройства для питания разрядных ламп высокого и низкого давления выпрямленным током Разработанные устройства обеспечивают мгновенное зажигание ламп и малую пульсаций светового потока, не влияя на срок службы

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1 Горюнов В А , Майоров А М , Майоров М И , Механизм ограничения амплитуды высоковольтного импульса, генерируемого в стар-терной схеме включения разрядных ламп // «Светотехника», №2, 2006 С 15-18

2 Майоров М И , Майоров А М., Горюнов В А , Родченкова В В Особенности анодных колебаний в люминесцентных лампах // Сборник материалов V Всероссийской научно-практической конференции «Организационные, философские и технические проблемы современных машиностроительных производств», том 1, Рузаевка, 2006 С 141-144

3 Майоров М И , Майоров А М , Торкайло И Е Использование зонда Ленгмюра для определения скорости удаления эмиттера с катода газоразрядных приборов // Сборник материалов V Всероссийской научно-практической конференции «Организационные, философские и технические проблемы современных машиностроительных производств», том 1, Рузаевка, 2006 С 146-150

4 Майоров М И, Горюнов В А , Майоров А М , Неретин Б И Импульсные зажигающие устройства со стартерами для ламп высокого давления // Тезисы докладов VI Международной Светотехнической конференции, Калининград - Светлогорск, 2006 С 145— 146

5 Майоров А М , Майоров М И , Горюнов В А Способ измерения динамических температурных характеристик катодного пятна люминесцентных ламп // Сборник научных трудов IV Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики», Саранск Изд-во Мордов ун-та, 2006 С 62-64

6 Горюнов В А , Майоров А М , Майоров М И Модуляция проводимости прианодной области в газовом разряде низкого давления // Светотехника, №2, 2007 С 8-12

7 Майоров М И , Майоров А М , Горюнов В А Вычисление теплоемкости катодного пятна люминесцентной лампы по динамическим температурным характеристикам // Тезисы докладов V Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики полупроводников и источников света», Саранск, 2007 С 30

8 Горюнов В А , Майоров А М Динамические температурные характеристики электродов в газоразрядных приборах // «Известия высших учебных заведений, Поволжский регион», Естественные науки, №6(33), 2007 С 60-68

9 Горюнов В А , Майоров А М , Майоров М И Исследование процессов переноса эмиссионного вещества при работе люминесцентной

лампы. // Шорник трудов VI Всероссийской научной школы «Материалы оаио-, микро-, и оптоэлектроники физические свойства и применение», Саранск Изд-воМордов ун-та, 2007 С 109

10 Майоров А М Модуляция доли ионного тока в катодном пятне разрядных источников свега I) Сборник научных трудов V Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики», Саранск: Изд-во Мордов ун-та, 2007 С 77-80

11 Патент России №2226753 кл Н05В41/231, Пускорегулирующее устройство / Майоров М.И , Неретин Б И , Майоров А М , Горюнов В.А , Майорова И С // 2004, Бюл №10

12 Патент России №2254693 кл Н05В41/23, Устройство для зажигания газоразрядных ламп / Майоров М И , Майоров А М , Майорова И С //2005, Бюл №17

Подписано в печать 14 02 08 Объем 1,0 п л Тираж 100 экз Заказ № 262

Типография Издательства Мордовского университета 430000, г Саранск, ул Советская, 24

Введение.

Глава 1. Анализ литературных данных касающихся оптических и электрических, явлений в приэлектродных областях разрядных источников света.

1.1. Оптические и электрические явления на катоде и в прикатод-ной области разрядных источников света.

1.1.1. Взрывная электронная эмиссия - причина свечения паров катодного материала.

1.1.2. Взрывная электронная эмиссия в приборах электронной техники и пространственно-временная картина свечения.

1.2.0птические и электрические явления на аноде и в прианодной области разрядных источников света.

1.3. Зажигание разряда и динамика излучения катода и прикатод-ной области в разрядных источниках света.

1.4. Эмиссионные материалы и типы термоэмиссионных катодов.

1.5. Зондовый метод исследования характеристик плазмы.

1.6. Фотоэлектрический способ измерения температуры электродов в разрядных источниках света.

1.7.Постановка задачи.

Глава 2. Экспериментальные установки, образцы и методики исследований.

2.1. Установка для исследования модуляции проводимости при-электродной области разрядных источников света.

2.2.Установка для исследования взрывной электронной эмиссии в разрядных источниках света.

2.3 .Установка и методика зондовых измерений.

2.4.Установка для исследования модуляции излучения в видимой и инфракрасной области спектра.

2.5.Экспериментальные образцы разрядных источников света низкого давления.

2.6.Экспериментальные образцы разрядных источников света высокого давления.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Модуляция излучения и проводимости прикатодной области.

3.1.Пороговые токи взрывной электронной эмиссии в разрядных источниках света высокого давления.

3.2.Пороговые токи взрывной электронной эмиссии в разрядных источниках света низкого давления.

3.3.Влияние напыления эмиссионного материала на распределение интенсивности излучения вдоль электрода разрядных источников света.

ЗАУстройства питания ламп высокого давления постоянным током реализующие механизм взрывной электронной эмиссии.

3.5.Устройства питания компактных люминесцентных ламп постоянным током реализующие механизм взрывной электронной эмиссии.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Модуляция излучения и проводимости прианодной области.

4.1 .Зависимость величины анодного падения потенциала от площади анода и величины разрядного тока.

4.2.Механизм модуляции проводимости в прианодной области.

4.3.Локализация излучения прианодной области при анодных колебаниях

Выводы по главе 4.

Глава 5. Модуляция проводимости и характеристики излучения зоны катодного пятна люминесцентных ламп на переменном токе.

5.1. Тепловое излучение и динамические температурные характеристики электродов разрядных источников света.

5.2. Фотоэлектрический способ определения теплоёмкости области катодного пятна и других участков электрода в разрядных источниках света.

5.3. Модуляция излучения, проводимости и доли ионного тока в катодном пятне разрядных источников света.

Выводы по главе 5.

На долю современных разрядных источников света в экономически развитых странах мира, приходится более 80% вырабатываемого светового потока, в будущем эта доля будет возрастать.

Принято считать, что приэлектродные области разрядных источников света i определённым образом влияют на оптические и электрические характеристики газового разряда.

При зажигании разрядных источников света было отмечено, что процесс перехода из тлеющего в стационарный дуговой разряд проходит через состояние с быстро перемещающимися светящимися пятнами, характерными для-«холодного катода» [1]. Однако, механизм-этого явления, применительно к катодной области разрядных источников света, не рассматривался.

Известно, что подобные пятна на «холодных» катодах наблюдались как в условиях вакуума, так и в газовом разряде [2,3]. В [2] указывается, что плот

1 О ность эмиссионного тока в этих пятнах чрезвычайно высока (10-10 А/см ),. однако механизм явления не раскрывается. Подобные плотности токов эмиссии наблюдались в [4-11]. Для'объяснения авторами был предложен механизм взрывной электронной эмиссии (ВЭЭ).

Как самостоятельный вид эмиссии, ВЭЭ, выделена относительно недавно [12], и до сих не имеет окончательной физической интерпретации. Экспериментальный факт состоит в том, что интенсивная эмиссия электронов возникает в результате взрывного перехода локальных микроскопических участков катода в плотную плазму при их перегрузке собственным автоэмиссионным током. Интенсивность процесса ВЭЭ на порядки превосходит интенсивность эмиссии наиболее эффективных термокатодов. Этот факт стал основой того, что на базе ВЭЭ возникло новое научно-техническое направление, связанное с получением сильноточных электронных пучков - сильноточная эмиссионная электроника [11].

Взрывная электронная эмиссия происходит при высоких напряжённостях электрического поля (Е ~ 105 В/см). Такие условия реализуются в газоразрядных приборах, в том числе в разрядных источниках света при их зажигании, в газоразрядных стартёрах при генерировании высоковольтного импульса. При зажигании разрядных источников света резко изменяется проводимость прика-тодной области и всего газоразрядного промежутка. Можно, предположить, что одним из физических явлений, существенно влияющим на-электропроводность, прикатодной области разрядных источников света, является ВЭЭ.

Механизмы изменения проводимости прианодной области в источниках света, сопровождаемые возникновением импульсов излучения, также слабо исследованы. Модуляция излучения и проводимости в этой- области проявляется в периодическом возникновении световых импульсов, изменении анодного падения напряжения; при этом амплитуда колебаний анодного падения, достигает' величин, равных потенциалу ионизации наполняющего лампу газа [13]. Однако, влияние состава и давления газового наполнения, а также влияние конструктивных параметров анода на процесс модуляции излучения и проводимости исследованы недостаточно. Актуальность изучения процессов генерирования импульсного излучения, возникающего в прианодной области, определяется возможностью использования этого явления при разработке импульсных источников света.

Модуляция проводимости прианодной области разряда в люминесцентных лампах (JIJI), работающих на переменном токе, оказывает влияние на оптические и электрические характеристики катодного пятна (КИ). При возникновении анодных колебаний, тепловое излучение области КП в анодный полупериод уменьшается, изменяется характер свечения и доля ионного тока приходящего в КП в катодный полупериод. Однако связь этих характеристик с эксплуатационными параметрами разрядных источников света не учитывалась.

Актуальность проведенных исследований определяется важностью полученной информации о процессах модуляции излучения и проводимости при-электродных областей в разрядных источниках света, что необходимо для улучшения их рабочих характеристик.

Цель работы и основные задачи.

Целью диссертационной работы является исследование модуляции излучения и проводимости приэлектродной области в разрядных источниках света, включающее в себя исследование условий возникновения взрывной электронной эмиссии на катоде, характеристик модуляции излучения и проводимости прианодной области, их влиянию на эксплуатационные характеристики разрядных источников света, а также спектроскопическое исследование приэлектродной плазмы.

Были поставлены следующие научно-технические задачи:

1. Создать установку для измерения электрических, и оптических характеристик приэлектродной области разрядных источников света.

2. Экспериментально исследовать оптические и электрические характеристики взрывной электронной эмиссии в разрядных источниках света.

3. Провести исследование спектральных характеристик приэлектродной области разряда в процессе зажигания и стационарного горения в разрядных источниках света.

4. Исследовать зависимость оптического излучения в прианодной области и анодного падения напряжения от конструкции анода, состава газового наполнения и электрических характеристик разряда

5. Обосновать теоретически и предложить методику регистрации изменений температуры электрода с использованием его излучения в инфракрасной (ИК) области спектра.

6. Обосновать возможность и предложить конструкции пускорегулирующих устройств, для ламп высокого и низкого давления, работающих на постоянном токе и при холодном зажигании обеспечивающих продолжительный срок службы.

Объект и методы исследования.

Основным объектом исследования являются разрядные источники света, их электроды и приэлектродная плазма.

Для исследования оптических и электрических характеристик электродов и приэлектродной плазмы использовались различные методы:

1. Спектральный метод регистрации быстропротекающих процессов в приэлектродной плазме.

2. Зондовый метод для измерения потенциала плазмы, а также для измерения скорости распыления эмиссионного покрытия катода.

3. Фотоэлектрический метод измерения приращения температуры электрода, в различных его областях, по ИК излучению.

Научная новизна:

1. Впервые показано, что в процессе «холодного» зажигания разрядных источников света реализуется механизм взрывной электронной эмиссии (ВЭЭ).

2. Установлено, что местом локализации импульсов оптического излучения при анодных колебаниях в люминесцентных лампах является область между стенкой колбы и сетевым вводом.

3. Впервые показано, что при возникновении анодных колебаний тепловое излучение с поверхности анода уменьшается.

4. Предложен механизм, объясняющий развитие пробоев и возникновение излучения в прианодной области для разряда в смеси аргона со ртутью для давлений, характерных для люминесцентных ламп. 5. Предложен способ вычисления теплоёмкости области катодного пятна в разрядных источниках света, работающих на переменном токе по его тепловому излучению.

6г Предложен способ вычисления изменения ионной составляющей тока на катоде, при работе разрядного источника света на переменном токе, используя распределение ИК излучения по периоду.

Практическая ценность.

1. Разработаны установки- для измерения электрических, спектральных, температурных характеристик разрядных источников света.

2. Предложенный метод динамических температурных характеристик, основанный на регистрации теплового излучения, позволяет оптимизировать конструкцию электродов разрядных источников света.

3. Результаты работы позволяют рекомендовать для применения в JIJI малогабаритные синтерированные катоды.

4. Предложен источник частотно-модулированного импульсного излучения, возникающего при модуляции проводимости прианодной области.

5. Предложен способ повышения срока службы люминесцентных ламп при «холодных» зажиганиях, заключающийся в том, чтобы перед отключением лампа работала в стационарном режиме не менее 15-20мин.

6. Определены конструкции пускорегулирующих устройств для ламп высокого и низкого давления, работающих на постоянном токе и при холодном зажигании обеспечивающих продолжительный срок службы.

Основные научные положения и результаты выносимые на защиту.

1. Установлено, что возникающие в процессе «холодного» зажигания разрядных источников света светящиеся пятна на катоде, возникают благодаря взрывной электронной эмиссии. Спектральные характеристики излучения при этом определяются материалом катода. Минимальный ток ВЭЭ зависит от конструкции ламп, эмиссионного вещества электродов, а также от состава газового наполнения.

2. Распределение излучения ртути вдоль анода JIJT указывает на то, что при наличии анодных колебаний ток притекает на анод в основном со стороны стенки лампы ближней к сетевому вводу. Анодное падение в JIJI не* превышает потенциала ионизации ртути и существенно не меняется' при уменьшении площади анода до 25 мм2 и его увеличении до диаметра газоразрядной трубки. При возникновении анодных колебаний-тепловое излучение анода уменьшается. Частота импульсов света, генерируемого в при-анодной области, растёт при увеличении силы тока.

3. Излучение приэлектродной области в разрядных источниках света модулируется как протекающим током, так и магнитным полем. Исследование модуляции излучения в широкой области спектра позволяет раскрыть физические основы работы электродов разрядных источников света — механизмы переноса вещества эмиттера, механизмы электронной эмиссии.

4. Получены расчетные формулы для описания ИК сигнала, генерируемого электродом JIJI, это позволяет определить изменения температуры, доли ионного тока, значение теплоёмкости катодного пятна.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Межрегиональной научной школе для студентов и аспирантов, «Материалы нано-, микро-, и оптоэлектроники: физические свойства и применение», Саранск, 2005-2007; X научной конференции молодых учёных, аспирантов и студентов МГУ им. Н.П. Огарёва, «Естественные и,технические науки», Саранск, 2005; VI Международной Светотехнической конференции, Калининград - Светлогорск,

2006; IV Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики», Саранск, 2006; V Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики полупроводников и источников света», Саранск, 2007, V Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики», Саранск, 2007.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, включающих 2 патента, а также статьи в отечественных журналах, сборниках трудов конференций и совещаний (3 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАКом).

Объём работы.

Диссертационная работа состоит их введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Объём диссертации 145 страниц, включающих 63 рисунка и 6 таблиц. Список литературы содержит 117 наименований.

1 .АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ КАСАЮЩИХСЯ ОПТИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В ПРИЭЛЕКТРОДНЫХ ОБЛАСТЯХ РАЗРЯДНЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА. t

В основной массе газоразрядных источников света используется дуговой разряд [13-19], так как в этом случае катодное падение напряжения* может быть весьма малым, его роль в балансе энергии лампы становится незначительной. Лампы дугового разряда могут быть выполнены на стандартные рабочие напряжения. В дуговом разряде при небольших и средних плотностях тока и невысоких давлениях свечение катода, не имеет практического значения и источником излучения в основном является положительный столб. Это особенно-ярко проявляется в люминесцентных лампах (ЛЛ). При повышении давления наполняющего газа или паров металла прикатодная область постепенно сокращается и при, так называемых, высоких давлениях (более 3-104 Па) [15] для дуговых ртутных ламп (ДРЛ), натриевых ламп высокого давления (ДНаТ), металлогалогенных ламп (МГЛ) составляет доли миллиметра. Это позволяет получить высокие параметры излучения при малых расстояниях, между электродами. При сверхвысоких давлениях (более 10б Па) высокие значения световой отдачи получают при очень малых расстояниях между электродами, при этом с уменьшением расстояния между электродами значительно увеличивается яркость шнура разряда. С ростом давления и плотности тока образуется изотермическая плазма, в излучении которой преобладают нерезонансные спектральные линии.

Как отмечалось в [20] электроды являются жизненно важными элементами разрядных источников света. Они обеспечивают существование разряда в заданных условиях, надёжность его зажигания и срок службы лампы.

Интенсивные процессы взаимодействия электродов с плазмой и их разрушение, происходят при нестационарных режимах, связанных с формированием приэлектродных частей разряда и изменением теплового режима на электродах. К таким условиям относятся процессы зажигания самостоятельного разряда, переходы разряда из одной формы в другую, перезажигания разряда на переменном токе [21]. Изменение условий работы электродов происходит достаточно динамично в дуговых ртутных разрядах высокого и низкого давления [22].

Разрядные источники излучения работают как на переменном, так и на постоянном токе. На постоянном токе функции катода и анода разделены, на переменном токе каждый электрод выполняет функции и катода и анода.

В.подводящих проводах и в материале электрода весь ток переносится электронами. Чтобы попасть в плазму, электроны должны выйти из катода, преодолев потенциальный барьер. На границе с плазмой электронный ток, протекающий в веществе катода, уравнивается суммарным током ионов и электронов в прикатодной области плазмы. На другом конце разрядного промежутка — в прианодной области электронный ток притягивается к границе анодной оболочки как за счет диффузии, благодаря наличию градиента концентраций, так и за счет электрических полей.

1.1.0птичеекие и электрические явления на катоде и в прикатодной области разрядных источников света.

При рабочей температуре катод имеет определенную термоэлектронную эмиссию при нулевом электрическом поле. Эта способность эмиттировать электроны усиливается (от 2 до 100 раз) под действием ускоряющих полей на поверхности катода [23]. Это ускоряющее поле создается ионным пространственным зарядом в катодной оболочке и, следовательно, увеличивается при наличии ионного тока на катод.

Ионы, достигающие катода, образуются в области отрицательного свечения электронами, ускоренными катодным падением (оно создается на катодной пленке) и «инжектируемыми» в отрицательное свечение с энергией, приблизительно равной полному катодному падению. Ионы, образованные в области отрицательного свечения, в свою очередь отличаются по энергии от электронов, ускоренных катодным падением. Ионы, достигающие катода, бомбардируют его с почти полной энергией катодного падения. Энергия, подводимая ионами к катоду, занимает большую долю в балансе энергии катода, и, следовательно, эта энергия является-определяющей температуру катода.

Таким образом, основной определяющей ролью катодного падения и температуры катода является создание суммарного общего тока, состоящего из эмиссионного электронного тока (термоэлектронная эмиссия при температуре Тк увеличенная .за счет ускоряющего поля, создаваемого положительными ионами) и ионного тока.

При горении стационарного дугового разряда в разрядных источниках света основная масса электронов выбивается из катодного пятна катода! [15,24]. Визуально катодное пятно представляет собой светящуюся точку, с которой начинается светящаяся катодная часть разряда. Катодных пятен может быть несколько. Катодное пятно на самокалящихся катодах расположено на небольшой части их поверхности и перемещается по ней по мере расходования оксида. При высоких плотностях тока это приводит к высоким местным тепловым нагрузкам материала катода. Так как для снижения катодного падения при дуговом разряде приходится применять сложные катоды, то обеспечение возможности работы, их при таких нагрузках требует применения специальных конструкторских решений. Катоды дуговых ламп весьма разнообразны по конструкции и могут быть разделены на катоды ламп низкого, высокого и сверхвысокого давления.

Выводы по главе 5.

1. Показано, что тепловое излучение зоны КП определяется не только энергией, разогревающей КП в катодный полупериод, но и энергией, выделившейся в этой области в анодный полупериод.

2. Исследовано распределение теплового излучения КП ЛЛ работающих на переменном токе при наличии анодных колебаний и без них. По данным фотоэлектрических измерений при наличии анодных колебаний интенсивность теплового излучения зоны КП в анодный полупериод уменьшалась, а в катодный полупериод возрастала.

3. Разработан метод динамических температурных характеристик, предложена формула для вычисления приращения температуры КП JTJT, работающих на переменном токе, по его тепловому излучению, при скоростях изменения температуры до dT/dt~ 105 К/с . Проведены исследования модуляции теплового излучения при протекании через лампу переменного тока.

4. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность определения теплоемкости КП по данным измерений динамики теплового излучения, вычислена теплоемкость катодного пятна и других участков электрода в люминесцентной лампе. Для катода лампы ЛБ-20, теплоемкость катодного пятна Ск= 7,3-10"5 Дж/К.

5. Данные о теплоемкости катодного пятна, совместно с динамическими температурными характеристиками, позволили определить изменение доли ионного тока в КП в зависимости от тока через ЛЛ, от конструкции и теплового режима электрода. Показано, что в течение одного катодного полупериода, даже при одинаковом мгновенном значении тока • через лампу, доля ионного тока уменьшается на 1/3 во второй половине полупериода, по сравнению с первой.

6. Показано, что при возникновении анодных колебаний излучения и проводимости, в ЛЛ работающей на переменном токе, доля ионного тока в катодный полупериод увеличивается на 1/4 часть от случая, когда анодные колебания отсутствовали.

Заключение.

В заключение диссертационной работы можно сделать, следующие выво

Взрывные процессы на катоде разрядных источников света приводят к инициированию неустойчивостей; проявляющихся^в модуляциишзлучения и электропроводности приэлектродной области.

Минимальный ток возникновения ВЭЭ зависит от материала4: катода, эмиссионного вещества, а также от наполнения источников > света, и изменяется в диапазоне от 0,2 до4А

Спектроскопические исследования; позволили: выявить механизм'появления бария на неоксидированной-части электрода - напыление из области КП;в стационарном рабочем режиме.

Частота импульсов света, генерируемого; в прианодной: области, увеличивается при увеличении силы тока, что позволяет модулировать их частоту. Область генерации импульсов расположена вблизи сетевого ввода со стороны стенки лампы. Анодное падение существенно не меняется при уменьшении.площади анода вплоть до:25 мм и его увеличении до диаметра газоразрядной трубки.

Разработан метод динамических температурных характеристик, предложена формула для; вычисления приращения температуры КП JIJI работающих на переменном токе по его тепловому излучению ?при скоростях изменения температуры до dT/dt-Ю5 К/с.

По данным измерений' в ИК области спектра показано* что в. люминесцентной лампе, работающей непеременном токе, доля; ионного тока, приходящего в область. КП; не постоянна. В течение каждого катодного полупериода, даже при одинаковом мгновенном значении тока через лампу, доля ионного тока уменьшается во второй половине полупериода на 1/3. При возникновении анодных колебаний в ЛЛ работающей на переменном токе, доля ионного тока в катодный полупериод увеличивается на 1/4 часть от случая, когда анодные колебания отсутствовали.

7. Предложены и защищены патентом пускорегулирующие устройства для питания разрядных ламп высокого и низкого давления выпрямленным током. Разработанные устройства, обеспечивают мгновенное зажигание ламп и малую пульсаций светового потока.

Настоящая работа была выполнена на кафедре экспериментальной физики Института физики и химии ГОУВПО «Мордовский государственного университета имени Н.П.Огарёва» под руководством доктора физико-математических наук, профессора В.А.Горюнова. Приношу ему свою глубокую благодарность и признательность за ценные советы и повседневную помощь, которые способствовали выполнению этой работы.

1. Решенов С.П. Катодные процессы в дуговых источниках излучения. М.: Изд. МЭИ, 1991,251с.

2. Грановский B.JI. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М.: Наука, 1971. 544с.

3. Раховский В.И. Физические основы коммутации электрического тока в вакууме. М.: Наука, 1970. 536с.

4. Месяц.Г.А., Проскуровский Д.И. Взрывная эмиссия электронов из металлических острий. // Письма в ЖЭТФ, 1971, Т. 13, №1, С.7-10.

5. Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М.: Сов. радио, 1974. - 255с.

6. Месяц Г.А. О взрывных процессах на катоде в газовом разряде. — Письма в ЖТФ, 1975, т. 1, вып. 19, С.885-888.

7. Королёв Ю.Д., Месяц Г.А., Пономарёв В.Б. Условия возникновения взрывной эмиссии в объёмных газовых разрядах высокого давления. -ЖПМТФ, 1979, №6, С.384-389.

8. Месяц.Г.А., Проскуровский Д.И. Импульсный электрический разряд в вакууме. Новосибирск: Наука, 1984, 256с.

9. Королёв Ю.Д., Месяц Г.А. Автоэмиссионные и взрывные процессы в газовом разряде. Новосибирск, Наука 1982. 253с.

10. Месяц Г.А. Эктон лавина электронов из металла. // УФН, 1995,Т.165, №6. С.601-626.

11. Месяц Г.А., Яландин М.И. Пикосекундная электроника больших мощностей // УФН, 2005, №3, С.38-55.

12. Бугаев С.П., Литвинов Е.А., Месяц Г.А., Проскуровский Д.И. Взрывная эмиссия электронов. //УФН. 1975,т.115, №1, С.101-120.

13. Уэймаус Д. Газоразрядные лампы. Пер. с англ. под ред. Рохлина Г.Н. и Фугенфирова М.И. М.: Энергия, 1977, 344с.

14. Рохлин Г.Н. Газоразрядные источники света. М.: Энергия, 1966. 560с.15