Исследование влияния плазмы на электроды мощных амальгамных ламп низкого давления и повышение срока их службы

Старцев, Андрей Юрьевич

Исследование влияния плазмы на электроды мощных амальгамных ламп низкого давления и повышение срока их службы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Старцев, Андрей Юрьевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.08 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование влияния плазмы на электроды мощных амальгамных ламп низкого давления и повышение срока их службы»

Автореферат диссертации на тему "Исследование влияния плазмы на электроды мощных амальгамных ламп низкого давления и повышение срока их службы"

Старцев Андрей Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЛАЗМЫ НА ЭЛЕКТРОДЫ МОЩНЫХ АМАЛЬГАМНЫХ ЛАМП НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ И ПОВЫШЕНИЕ СРОКА ИХ

СЛУЖБЫ

Специальность 01.04.08 - физика плазмы

005008938

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 ФЕВ 20Ї2

МОСКВА-2012

005008938

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Объединённый институт высоких температур Российской академии наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, Василяк Леонид Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Якимов Михаил Юрьевич

кандидат физико-математических наук Самойлов Игорь Сергеевич

Ведущая организация:

Московский физико-технический институт (государственный университет)

заседании диссертационного совета Д 002.110.02 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Объединённом институте высоких температур РАН по адресу: 125412, Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2, экспозал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН

Отзывы на автореферат просьба присылать по адресу: 125412, Москва, ул. Ижорская. 13, стр. 2, ОИВТ РАН, ученому секретарю Диссертационного совета Д 002.110.02

Автореферат разослан

г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 002.110.02 доктор физико - математических наук

А.Л. Хомкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования.

Среди прикладных задач физики газового разряда с низкотемпературной плазмой, при решении которых необходимо учитывать влияние плазмы на вещество, можно выделить задачу увеличения ресурса мощных бактерицидных амальгамных ламп низкого давления с парами ртути в инертных газах. Эти лампы в настоящее время являются наиболее эффективными для получения бактерицидного ультрафиолетового (УФ) излучения с длиной волны 254 нм. Именно они применяются в установках для обеззараживания воды и воздуха с расходами несколько тысяч м3 в час. Чем мощнее источник бактерицидного УФ излучения, тем меньше будет время обработки и выше скорость подачи обрабатываемой среды.

Для сохранения высокого КПД генерации УФ излучения при повышении мощности амальгамных ламп необходимо понижать давление буферного инертного газа менее 1 торр при сохранении парциального давления паров ртути на уровне 7-10 мторр, однако это приводит к уменьшению срока службы электродов. Этот процесс ещё более усугубляется в мощных амальгамных лампах с оксидными катодами, поскольку для увеличения удельной мощности необходимо увеличивать ток разряда до нескольких ампер, в результате чего возрастает скорость расходования оксидного слоя. Влияние плазмы на электроды будет разным во время включения и в течение длительной работы без включений. При включениях лампы процесс износа электрода значительно ускоряется. На начало данной работы ресурс электродов мощных амальгамных ламп составлял всего 300-500 включений, а для большинства применений требовался ресурс в несколько тысяч включений.

Увеличение срока службы электродов мощной амальгамной лампы -важная задача, которая решается раздельно для периодов работы лампы в пусковом и стационарном режимах работы лампы. Первая часть задачи актуальна для ламп, устанавливаемых на объектах, где происходят частые включения и выключения. Вторая часть задачи чрезвычайно важна при работе ламп на объектах, которые должны работать непрерывно, например, на станциях обеззараживании воды. Практика требовала увеличения срока службы лампы при её длительном непрерывном горении с 8 тысяч часов до 12-16 тысяч, при этом ресурс электродов должен быть больше и составлять 16-20 тысяч часов.

Эрозия материала электродов также ведет к переносу продуктов эрозии на стенки лампы. Это приводит к снижению пропускания колбы лампы и, как следствие^ уменьшению выхода ультрафиолетового излучения и к снижению

рабочего ресурса лампы. Необходимо было разработать электрод, способный работать длительное время в мощных амальгамных лампах с током разряда несколько ампер при низких давлениях 0.5-1 торр, выдерживать большое количество включений и не оказывать влияние на генерацию и выход УФ излучения. Необходим и электронный пускорегулирующий аппарат (ЭПРА), обеспечивающий длительную работу электродов.

Цель работы и задачи исследования.

Целью работы является исследование процессов, определяющих срок службы электродов мощных амальгамных ламп с дуговым разрядом низкого давления в смесях инертных газов и паров ртути, влияние электродов на спад интенсивности УФ излучения лампы, разработка электродов для мощного источника УФ излучения с высоким КПД и повышенным ресурсом работы и электронного пускорегулирующего аппарата (ЭПРА), позволяющего осуществить длительную работу лампы.

Ставятся следующие задачи:

1. Провести исследования физических процессов, происходящих на электродах в дуговом разряде переменного тока частотой 43 кГц при пониженных давлениях 0.5-1 торр смесей газов аргон-неон и паров ртути в пусковом и стационарном режимах работы мощной амальгамной лампы низкого давления.

2. Определить основные причины, приводящие к выходу из строя электродов в пусковом и стационарном режимах работы лампы и погасанию разряда при низких давлениях в смесях инертных газов с парами ртути.

3. Определить влияние электродов на спад интенсивности УФ излучения и предложить способы уменьшения их воздействия.

4. Разработать конструкции электродов, позволяющие при сохранении высокой мощности разряда значительно увеличить ресурс работы электродов в стационарном режиме работы лампы при пониженных давлениях газа.

5. Разработать способ нанесения карбонатной суспензии на электроды лампы, позволяющий дополнительно увеличить срок службы электродов в пусковом и стационарном режимах работы лампы.

6. Определить режим зажигания лампы, позволяющий значительно увеличить ресурс работы электродов в пусковом режиме работы лампы. Разработать ЭПРА, алгоритм работы и схемное решение которого позволяют значительно увеличить ресурс работы электродов лампы в пусковом режиме.

Объект исследования - электроды в дуговом разряде низкого давления в смесях инертных газов (Ме/Аг:70%/30%) с парами ртути при давлении смеси 0.5

- 1 торр. Ток разряда в стационарный период работы равен 3.2 А, частота разрядного тока 43 кГц, погонная электрическая мощность разряда 2.4-2.5 Вт/см. Длина разрядного промежутка 1450 мм, диаметр разряда - 25 мм. Источник паров ртути - амальгама Нд(1пАдАи).

Методы исследования.

При исследовании влияния плазмы на электроды в пусковой период работы лампы регистрировался процесс зажигания лампы с помощью видеосъёмки; одновременно измерялись мощность УФ излучения и электрические параметры ламп и ЭПРА. Для выяснения причин, приводящих к быстрому выходу из строя электродов ламп при многократных включениях, были проведены исследования ламп на максимальное число включений, которое выдерживает лампа, работающая в определённом режиме работы. Измерялся спад уровня УФ излучения лампы в зависимости от числа включений и от времени непрерывной работы лампы. Электрические параметры лампы ЭПРА измеряются с помощью анализатора мощности УОКОвАМ/А РТ 4000 с погрешностью 0.5%. Проводилось измерение температуры электродов в пусковом периоде работы лампы (до зажигания дугового разряда в лампе) с помощью косвенного метода измерения. Метод предусматривал измерение электрического сопротивления накаленных электродов непосредственно перед зажиганием разряда в лампе. При исследовании влияния плазмы на электроды в стационарный период работы лампы программа исследований включала ресурсные испытания экспериментальных ламп в течение 1-2 лет, а также периодическое измерение их электрических параметров и мощности УФ излучения.

Научная новизна работы.

1. Предложен способ зажигания мощных амальгамных ламп низкого давления, позволивший значительно увеличить максимальное число их включений с 300

- 500 до 200000 раз. На этой основе разработан и серийно выпускается электронный пускорегулирующий аппарат, защищенный двумя патентами.

2. Показано, что унос материала электрода, при длительной работе ламп, не является основной причиной снижения мощности УФ излучения со временем. Предложен способ нанесения на электроды карбонатной суспензии, обработанной ультразвуком, для увеличения ресурса.

3. Впервые измерено анодное падение в мощных амальгамных лампах низкого давления с питанием высокой частотой 10-100 кГц, и показано, что оно вносит основной вклад в нагрев электродов.

электроды могут быть применены в мощных амальгамных лампах в области низких давлений менее 1 торр в разрядных трубках большого диаметра. Научная и практическая ценность.

Результаты исследований могут быть использованы при проектировании и разработке новых электродов с большим ресурсом, позволяют значительно увеличить срок службы мощных амальгамных ламп низкого давления.

Следующие полученные результаты используются при производстве

ламп:

1. Электронный пускорегулирующий аппарат, увеличивающий максимальное число включений мощной амальгамной лампы низкого давления до 200000 раз.

2. Электродные узлы с экраном в виде танталовой пластинки, позволяющие увеличить ресурс электродов в стационарном режиме работы лампы в 2-3 раза.

3. Способ нанесения на электроды лампы карбонатной суспензии. Достоверность научных результатов и обоснованность научных

положений базируется на использовании современных высокоточных средств измерений и диагностики, применении апробированных методик проведения исследований, на согласованности расчётных предсказаний с результатами экспериментов, на статистическом подтверждении экспериментально полученных результатов, на совпадении полученных результатов с данными других работ в области их применимости.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты экспериментального исследования процессов, происходящих на электродах в разряде переменного тока частотой 43 кГц при понижённых давлениях 0.5-1 торр смесей газов аргон-неон и паров ртути. Выявлены основные причины разрушения электродов мощных амальгамных ламп низкого давления в пусковом и стационарном периодах работы лампы. Показано, что выделение продуктов эрозии материала электрода не является основной причиной снижения мощности УФ излучения при длительной работе мощных амальгамных ламп низкого давления. Способ нанесения на электроды мощной амальгамной лампы низкого давления карбонатной суспензии, предварительно обработанной ультразвуком, позволяющий увеличить массу оксидной смеси для увеличения ресурса.

впервые. Метод определения катодного и анодного падений напряжений в мощных амальгамных лампах низкого давления с дугой низкого давления переменного тока с частотой 10-100 кГц.

3. Результаты исследований различных конструкций электродов с потенциальными и непотенциальными экранами и полого электрода. Потенциальные экраны с цилиндрическим экраном с закрытым торцом со стороны плазмы и экран - танталовая пластинка со стороны плазмы позволяют увеличить срок службы электродов при низких давлениях 0.5-1 торр в 2-3 раза. Непотенциальные экраны и потенциальный цилиндрический экран с открытыми торцами не позволяют увеличить срок службы электродов. Полый электрод эффективен при более низких давлениях для трубок с большими диаметрами.

4. Алгоритм работы и блок-схема электронного пускорегулирующего аппарата, позволяющие значительно увеличить максимальное число включений амальгамных ламп низкого давления с 300 - 500 раз до 200000 раз.

Апробация результатов исследования и публикации.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 4-й Всероссийской конференции Физическая электроника -2006 (ФЭ -2006), г. Махачкала, 23-26 октября 2006 г., на Всероссийской (с международным участием) конференции Физика низких температур. - 2007, г. Петрозаводск, 2007 г., на 5-й Всероссийской конференции Физическая электроника - 2008 (ФЭ -2008), г. Махачкала, 26-30 октября 2008 г, стр. 52-56, стр. 65-68, на 13 symposium of DAfP “Licht fur den Arbeitsplatz”, Darmstadt 2008. p. 20 - 24, на 6-й Всероссийской конференции Физическая электроника - 2010 (ФЭ-2010), г. Махачкала, 23-26 сентября 2010 г, стр. 93-97, стр. 97-101, Юбилейной конференции ОИВТ РАН, 2010, 20-21 октября, а также на научных семинарах в ЗАО НПО ЛИТ и в ЗАО ЛИТ в период 2004 - 2010 гг, на научном семинаре ОИВТ РАН 27.10.2011 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 14 работ (из них 4 статьи в рецензируемых изданиях из перечня ВАК, 2 патента на изобретение РФ, 8 докладов,на конференциях), список которых приведен в конце автореферата.

Личный вклад автора. Основные результаты, полученные из экспериментов и расчетов, которые представлены в диссертации, получены непосредственно автором или при его определяющем личном участии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав и заключения, содержит 200 страниц текста, включая 8 таблиц, 81 рисунок. Список цитируемой литературы -122 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы основные задачи и цели исследования, а также основные положения, выносимые на защиту. Приводится краткое содержание диссертации.

1___первой главе представлен литературный обзор, в котором

рассматриваются газоразрядные источники УФ излучения, ртутный разряд низкого давления, физические процессы вблизи электродов, взаимодействие плазмы и электродов, приводящее к разрушению электродов и, как следствие, к выходу лампы из строя. Показано, какие процессы приводят к потере эмиссионного вещества электродом и его дальнейшему разрушению в периоды работы лампы в пусковом и стационарном режимах. Основными процессами, приводящими к разрушению материала электрода в пусковом периоде работы лампы, является ионное распыление, в стационарном режиме работы - главным образом испарение материалов электрода. Рассматриваются предлагаемые способы увеличения срока службы электродов ламп низкого давления. Описываются принципы работы различных пускорегулирующих аппаратов.

Во второй главе описываются экспериментальные установки, методики измерений и результаты исследования процессов, происходящих непосредственно на электродах мощных амальгамных ламп низкого давления в пусковом режиме работы лампы. При проведении экспериментальных исследований измерялась мощность УФ излучения ламп, производилась видеосъёмка процесса зажигания ламп; измерялись с помощью анализатора спектра электрических сигналов УОКОСАМ/А П 4000 электрические параметры ламп и отображалась форма электрического тока, протекающего через электроды лампы при их прогреве и через лампу при зажигании разряда в ней. При проведении ресурсных испытаний определялся максимальный ток накала лампы до зажигания дуги, не приводящий к чрезмерному испарению эмиссионного вещества с электродов лампы; лампы испытывались на максимальное число включений до наработки на отказ; в течение 1-2 лет проводились длительные испытания работы пампы на число включений.

Предложен способ зажигания лампы, позволивший значительно увеличить ресурс её электродов в пусковом периоде работы - многократно увеличить максимальное число включений лампы. На рис .1 показан процесс зажигания лампы на ранее использовавшемся (“стандартном”) ЭПРА. Видна стадия тлеющего разряда, во время которой происходит основное разрушение оксидного слоя на электроде. Предложенный способ зажигания лампы

предусматривает следующее (рис.2). С целью уменьшения процессов термодеструкции, вклад в разрушение материалов электрода которой сравним с вкладом тлеющего разряда, температура электродов на момент зажигания лампы значительно увеличена (с 200°С до 760°С), а снижение рабочего тока накала электродов с 4.2 А до 0.6 А происходит только через 1 секунду после перехода разряда в фазу дугового разряда - по окончании переходных процессов на

Г)

Рис. 1. Динамика процесса зажигания лампы при работе со стандартным ЭПРА а -разогрев катода, б - фаза тлеющего разряда, в - переходный период, г - дуговой разряд

При этом температура электрода в пусковой период не допускает чрезмерного испарения активного материала электродов и подбиралась экспериментально для каждого типа электродов. С целью уменьшения влияния тлеющего разряда на электроды лампы (ионного распыления эмиссионного вещества электродов) неизбежная фаза тлеющего разряда значительно сокращена, а тлеющий разряд в период предстартового прогрева электродов отсутствует. До проведения исследований фаза тлеющего разряда имела две составляющие: это тлеющий разряд, имевший место из-за присутствия рабочего напряжения около 400 В и выдаваемых ЭПРА коротких высоковольтных поджигающих импульсов амплитудой около 1.5 кВ на электродах лампы до зажигания дугового разряда в течение 12-15 секунд, а

также неизбежная фаза тлеющего разряда, через которую проходят электроды в начальный период при зажигании лампы.

Рис. 2. Динамика процесса зажигания лампы с экспериментальным ЭПРА. а,б,в -разогрев электрода, тлеющего разряда нет, г - дуговой разряд

В результате исследований и анализа протекающих токов через разряд и спираль накала электродов, было предложено рабочее напряжение и высоковольтные поджигающие импульсы на электроды лампы подавать только пссле их прогрева до необходимой температуры. Во-первых, это полностью позволило избежать первой составляющей фазы тлеющего разряда, а, во-вторых, значительно сократить (из-за зажигания разряда на прогретых электродах) неизбежную фазу тлеющего разряда со 100 мс до 1.5 мс. Кроме того, конструкция экспериментального ЭПРА предусматривает более быстрое нарастание фронта рабочего напряжения, чем в ранее применявшихся конструкциях ЭПРА, что также способствует сокращению неизбежной фазы тлеющего разряда. Увеличение термоэмиссии электрода в результате значительного повышения его температуры на момент подачи рабочего напряжения них позволило также снизить амплитуду высоковольтных поджигающих импульсов, выдаваемых ЭПРА, с 1.5 кВ до 1.0 кВ, что также способствовало уменьшению процессов эрозии эмиссионного материала электродов в пусковой период. Выявлено, что предстартовое повышение температуры электродов значительно уменьшает процессы

термодеструкции при зажигании дугового разряда. Разработан новый ЭПРА, позволяющий осуществить данный способ зажигания лампы без изменения технологии производства ламп.

Внешний вид электродов ламп, длительно отработавших в режиме “включение - выключение” со стандартным и экспериментальным ЭПРА, показаны на рис.З. Из рис.Зб видно, что при работе лампы с экспериментальным ЭПРА расход активного вещества электродов в пусковом периоде работы лампы резко уменьшается по сравнению с его расходом в тот же период при работе лампы со стандартным ЭПРА (рис.За).

а) б)

Рис. 3. Внешний вид электрода лампы после испытаний: а - при использовании стандартного ЭПРА оксидный слой полностью исчез, б - при использовании экспериментального ЭПРА оксидный слой практически не изменился

Максимально возможное число включений лампы резко возрастает, по экспериментальным данным, с 300 - 500 раз при работе со стандартным ЭПРА до 200000 раз при работе с экспериментальным ЭПРА.

Зависимость мощности УФ излучения лампы от количества её включений приведена на рис. 4. На рис. 4 за 100% принято значение УФ потока после первых 100 ч горения лампы в непрерывном режиме. Указанные 5138 циклов приходятся на последующие 514 час работы лампы. Видно, что даже большое число включений не влияет на мощность УФ излучения лампы. На рис.5 приведены экспериментальные точки и соответствующая аппроксимационная кривая зависимости мощности УФ излучения от времени при непрерывной работе лампы со стандартным и экспериментальным ЭПРА. Внешний вид экспериментальных ЭПРА приведён на рис.6, блок схемы и алгоритмы их работы приведены на рис.7. На рис. 5 первые 514 ч лампа, работавшая с экспериментальным ЭПРА, горела в циклическом режиме “включение-выключение” (всего 5138 циклов), а затем - в непрерывном; лампа, работавшая со стандартным ЭПРА, горела в непрерывном режиме. Спад мощности УФ излучения ламп, работающих с экспериментальными ЭПРА с дополнительными циклами включений, равен таковому для ламп, работающих со стандартными ЭПРА в постоянном режиме, без включений. Это

свидетельствует о том, что условия, в которых находятся электроды ламп при воздействии на них плазмы при работе с экспериментальными ЭПРА, при включении значительно мягче, чем при работе со стандартными ЭПРА.

1? £ я

И -1

1 I

)

280Й 2Ш ЖК Шв *Ш

9ЧСМ1М еик-ИО'ЮИЯЯ ЛЗД1Ш

Рис. 4..Зависимость мощности излучения лампы в линии 254 нм от числа циклов “включение-выключение” с экспериментальным ЭПРА

Рис.5. Зависимость мощности излуче -ния лампы в линии 254 нм от времени: 1 - экспериментальный ЭПРА, 2 - стандартный ЭПРА

Рис. 6. Внешний вид экспериментальных ЭПРА

Показано, что выделение продуктов эрозии материала электрода не является основной причиной снижения мощности УФ излучения при длительной работе мощных амальгамных ламп низкого давления. Основной вклад в снижение уровня УФ излучения при длительной работе ламп вносит не процесс переноса материала электрода на стенки колбы лампы, а перенос ионов ртути из плазмы разряда в результате процесса амбиполярной диффузии с последующим связыванием атомов ртути с кислородом в кристалле кварца или их диффузией внутрь решетки кварца. Атомы и окислы ртути хорошо поглощают резонансную линию ртути 254 нм, препятствуя выходу УФ излучения из лампы. Спад УФ излучения лампы с экспериментальным ЭПРА с течением времени практически такой же, как у

лампы со стандартным ЭПРА, несмотря на то, что с экспериментальным ЭПРА расход активного вещества электрода гораздо меньше. Это, с одной стороны, говорит о малом расходе эмиссионного вещества электрода, а с другой стороны, о том, что основной спад мощности УФ излучения не вызывается загрязнением кварцевого стекла или газовой смеси продуктами эрозии материала электродов.

* □ І* , ■ 1 '6

. -С0О-:- 1 ■ ■ їу

ті] і і . П 0 ї" :■

' ; і иа:,

ЙКЛЮЧЄНИЄ

ШУНТИРОВАНИЕ МЕЖЭЛЕКТ РОДНОГО РАССТОЯНИЯ ЛАМПЫ

запрос целостности ЭЛЬКТРОДОЭ ПАМПЫ И АНД ЛИЗ РЕЗУЛЬТАТА ЗАПРОСА

ПОДОГРЕВ ЭЛЕКТРОДОВ ЛАМПЫ

СНЯТИЕ ШУНТИРОВАНИЯ МЕЖЗЛЕКТ РОДНОГО РАССТОЯНИЯ ЛАМПЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ

ЗАЖИГАНИЯ Л ОЫ

ПОДДЕРЖИВАНИЕ ТОКА ГОРСНИЯ ЛАМПЫ

і Г"--

1-и-^

ГОРЕНИЕ ЛАМПЫ

Рис. 7. Блок схемы и алгоритмы работы экспериментальных ЭПРА

В третьей главе приведены результаты исследований приэлектродной плазмы дугового разряда низкого давления и разработанных экспериментальных электродов мощных амальгамных ламп. В главе описывается экспериментальная установка, методики измерений, установка для ресурсных испытаний, способ измерения катодного и анодного падений напряжений в мощных амальгамных лампах низкого давления, приведены результаты определения электронной концентрации и температуры методом зонда Ленгмюра.

Для измерения катодного и анодного падений напряжении была применена следующая методика: измерялось суммарная величина катодного и анодного падений путем уменьшения длины положительного столба, и другим

способом - катодное падение. До проведения диссертационной работы предполагалось, что анодное напряжение в дуговом разряде низкого давления переменного тока частотой 10-100 кГц равно нулю. Для определения катодного падения напряжения был применен метод, который использовался для ртутных ламп малой мощности, работающих на низкой частоте. Суть метода заключается в измерении напряжения на лампе при изменении тока накала электродов от нуля, до значения, при котором напряжение перестает изменяться, при неизменном стабилизированном токе разряда лампы. Падение напряжения на лампе равно сумме анодного и катодного падений напряжений и падения напряжения на положительном столбе разряда. Изменение тока накала электродов приводит к изменению только катодного падения напряжения. Поэтому изменение падения напряжения на лампе при изменении тока накала её электродов будет происходить только за счёт изменения катодного падения напряжения. Тогда разность максимального и минимального падения напряжения на лампе должна коррелировать с величиной максимального катодного падения напряжения в лампе. Причина существования эффекта насыщения при низких значениях величины катодного падения напряжения заключается в следующем. Увеличение тока термоэмиссии электрода приводит к снижению величины катодного падения напряжения. При этом необходимо определить минимальную величину катодного падения напряжения в разряде, происходящем при давлении смеси буферных газов, находящихся в соотношении 30%Аг/№70% при давлении ~ 1 торр, при парциальном давлении паров ртути в лампе около 7-10 мторр. При измерении катодного падения в ртутных лампах с низким разрядным током 50100 мА предполагали, что она не может быть менее 5 В - величины потенциала ионизации ртути электронным ударом. Тогда максимальное катодное падение напряжения (при минимальном значении тока накала электродов) можно определить из:

^кмзкс. — (Умакс.л Vминл* 5)) (1)

При измерениях ток накала электродов лампы изменялся с шагом в 0.1 А от значения 0 А, при котором падение напряжения на лампе максимально, до максимального значения 6 А, при котором падение напряжения на лампе минимально. Ток разряда лампы стабилизирован, предел его возможных колебаний - 0.1 А. Ток накала и падение напряжения на лампе измерялись с помощью анализатора мощности УОКОСА1/УА Р2 4000. Погрешности измерения напряжения и тока составляют 0.5%. Зависимость падения напряжения на лампе V от тока накала электродов I в стационарном режиме работы, приведена на рис.8. Из рис.8 \^„аксп = 98.6 В при I = 0, \/минл = 92.8 В при I = 6 А. Из (1) получим V*. макс = 10.8 В.

Суммарное падение

напряжений (анодное плюс

катодное) определялось методом

исключения падения напряжения

на положительном столбе разряда.

Для этого были изготовлены 10

ламп, из них 5 ламп имели длину

межэлектродного промежутка Ц =

1450 мм, и 5 ламп - 1_2 = 1075 мм.

Падение напряжения на длинной

лампе равно V! = 98.6 В, на

короткой лампе \12 = 76.5 В

Рис.8. Зависимость падения напряжения на

лампе V от тока накала электродов 1 в стаци- (действующие значения

онарном режиме работы лампы напряжений). Ток накала

электродов был равен нулю. Падение напряжения на обеих лампах складывается из падения напряжения на положительном столбе дугового разряда У , катодного V* и анодного падения напряжения \/а. Полагая, что падение напряжения на положительном столбе разряда линейно зависит от длины разрядного промежутка, можно найти суммарное падение напряжений на электродах лампы

\/1 = (ЦУ2-иЩ/(и~12}, (2)

Вычитая полученное значение катодного падения, получим величину анодного падения напряжения 2.4 В. Для текущих значений тока накала электродов, например, для 3 и 5 А анодное падение также вычислялось, и также равно 2.4 В, так как оно не зависит от тока накала электродов.

Методом зондов Ленгмюра были определены концентрация и температура электронов в положительном столбе дугового разряда диаметром 25 мм при давлении 1.0 торр. Лампа имела зонд и противозонд. Температура электронов определена по линейному участку зависимости с логарифмическим масштабом по току зонда, она равна 1.8 эВ. Концентрация электронов в плазме, определенная по ионной части зондовой характеристики, равна 2.2,1013см'3.

Приведены результаты исследований различных конструкций электродов, которые позволяют снизить расход эмиссионного материала электродов, уменьшить разрушение материала электродов в стационарном периоде работы лампы, увеличить срок службы лампы. Исследовались электроды без экрана (рис.4) и следующие электроды с потенциальными и непотенциальными защитными экранами:

1. потенциальный экран в виде танталовой пластинки, укреплённой с торца триспирального электрода лампы со стороны плазмы (рис. 9),

2. цилиндрический потенциальный экран с открытыми торцами, (рис.10),

3. цилиндрический потенциальный экран с закрытым торцом со стороны плазмы (рис.11),

4. цилиндрический непотенциальный экран с открытыми торцами,

5. цилиндрический непотенциальный экран с закрытым торцом.

Влияние различных электродов на спад УФ излучения лампы в

зависимости от времени работы приведены на рис.12 и 13 и в табл.1. На рис. 12 обозначения: 1,3 - экран - танталовая пластинка (рис.9) (соотв. 1 и 0.5 торр),

2, 2а - экран с закрытым торцом (рис.11) 0.5 торр, 4,5 - электроды без экранов

(1 и 0.5 торр), 6 - экран с открытыми торцами, 0.5 торр. Кривая 2а -

экспериментальная, остальные - сглаженные. За 100% мощности УФ излучения принят уровень, соответствующий горению лампы 100 часов. На рис.13, обозначения: 1,5- электрод без экранов, (соотв. 1 и 0.5 торр), 2, 2а -непотенциальный танталовый экран с открытыми торцами, 0.5 торр, 3 -

непотенциальный танталовый экран с закрытым торцом, 0.5 торр, 4 -

керамический экран с закрытым торцом со стороны плазмы, 0.5 торр. На рис. 12 и 13 кривая 2а - экспериментальная, остальные - сглаженные. Лампы с электродами с непотенциальными экранами, имеющими закрытый торец со стороны плазмы, показали очень плохие результаты, они вышли из строя через 2-3 тыс. часов, и по этой причине не включены в рис. 13. Анализируя результаты на рис. 13, можно сделать вывод, что непотенциальные экраны ламп неэффективны для защиты электродов от процессов термического разрушения в стационарный период работы лампы. Применение этих экранов при пониженном давлении буферных газов 0.5 торр не привело к увеличению продолжительности срока службы лампы и снижению спада УФ излучения. Спад мощности УФ излучения оказался у многих ламп с непотенциальными экранами больше, чем у ламп с незащищёнными электродами, а срок службы -значительно меньше.

Рис.у. .защитным экран в виде танталовой Рис.10. Экран с открытым торцом со

пластинки со стороны плазмы

стороны плазмы

Таблица 1

Характеристики ламп с различными электродами _____________________

Но- мер лам- пы Состав наполнения, Ые/Аг, % Дав- ле- ние, торр Вре- мя наработки, ч Ток накала электрода, А Вид экрана и его внутр. диам., мм Толщина стенки экрана, мм Спад мощности УФ-излуч. относ. 100 часов горения, %

пуско- вой стаци- онар- ный

1а 70/30 0.5 5000 3.7 0.6 без экрана 22.4

16 1.0 14000 21.0

2а* 0.5 15000 0.8 потенц. 10 0.1 14.0

26" 0.5 16000 17.6

2 в** 1.0 18000 8.5

3*** 0.5 6000 22.6

4+ 70/30 0.5 4000 3.7 0.6 непотенц. 9.5 0.4 25.1

5++ 3000 непотенц. 4.5 0.2 19.1

6+++ 3000 непотенц. 9.5 0.4 19.1

* Цилиндрический экран с закрытым торцом со стороны плазмы (рис.11);

** Экран - танталовая пластинка (рис.12), закреплённая напротив торца спирали;

*** Защитный экран с открытыми торцами (рис.13);

+ Электрод, имеющий танталовый защитный экран, закрепленный на электроде через изолирующую трубку из ВеО, с открытыми торцами;

++ Электрод с керамический экран из А1203 с закрытым торцом со стороны плазмы; +++ Электрод с танталовым защитным экраном, закреплённый на электроде через изолирующую трубку из ВеО с закрытым торцом со стороны плазмы.

Из потенциальных экранов наиболее эффективно защищают электроды ламп цилиндрические экраны с закрытым торцом со стороны плазмы (рис.11), и экраны в виде танталовой пластинки (рис.9), закреплённой напротив торца спирали электрода со стороны плазмы (соответственно, кривые для ламп 2, 2а Рис.11. Экран с закрытым тор- и 1, 3, на рис. 12). Показана неэффективность цом со стороны плазмы цилиндрического потенциального экрана с

открытыми торцами (рис.12).

Для проверки расчётов температуры экранов, а, следовательно, и правильности определения приэлектродных падений напряжений, так как при расчётах температурных режимов экранов используются значения приэлектродных падений напряжений, производилась визуальная оценка температуры экранов. Визуальная оценка температуры экранов производилась, в связи с затруднениями пирометрических измерений (температуры экранов недостаточно велики). Например, цвет нагретого экрана,

- танталовой пластинки, - коричнево - красный (самое начало излучения экрана в видимой области, заметно в темноте), что соответствует температурному диапазону нагретого металла примерно 850 - 920 К (580 -650°С). что близко к расчётному значению.

в 500 1000 1500 2000 2500 3000 3*00 4000 4500 5000 3500

Рис. 13. Зависимость относительной мощности УФ излучения ламп Р (%) от времени работы I (ч) с непотенциальными экранами

4000 6500 йт 1Ш& 12000 140001 6060 18005 I

Рис. 12. Зависимость относительной мощности УФ излучения Р (%) от времени I (ч) с потенциальными экранами

В § 3.4 предлагается способ нанесения карбонатной суспензии на электроды, позволяющий увеличить массу эмиссионного вещества на электроде, что способствует увеличению ресурса электрода. Метод основан на обработке карбонатной суспензии ультразвуком непосредственно перед нанесением на электроды лампы и увеличении накопительной способности триспирального электрода. Для увеличения накопительной способности триспирального электрода увеличен шаг первой спирализации с 0.06 до 0.1 мм. Метод позволяет увеличить массу активного вещества на электроде на

Рис. 15. Эмиссионное вещество нанесено предложенным методом

54%. На рис. 14 и 15, соответственно, приведены результаты нанесения карбонатной суспензии на электроды ламп методом, применявшимся ранее (далее ’’стандартным”) и предложенным методом. Электрод, ка который суспензия наносилась стандартным способом, имеет пустоту между витками

Рис. 14. Эмиссионное вещество на электрод нанесено стандартным методом

2-й спирализации триспирального электрода, а при нанесении на электрод суспензии новым методом, пустоты заполнены активным веществом.

Исследована возможность применения в мощных амальгамных лампах низкого давления полых электродов для дальнейшего увеличения ресурса электрода лампы, перехода на более низкие давления и увеличение рабочего тока. Конструкции полых электродов показаны на рис.16. Полый электрод позволяет увеличить ионизационное размножение электронов, сократить расход эмиссионного вещества, уменьшить выход эмиссионного вещества из электрода. Показано, что при более высоких токах и низких давлениях ресурс полого электрода больше, чем других исследованных электродов (около 19000

- 20000 часов, спад мощности УФ излучения не более 15 - 16%). Но так как длина свободного пробега электронов в полых электродах большая, это приводит к тому, что диаметр полого электрода достаточно большой, поэтому его можно применять в лампах с колбой большого диаметра.

Рис.16. Конструкции полых электродов

В заключении обобщены основные результаты и приведены выводы.

Основные результаты работы:

1. Выполнены экспериментальные исследования физических процессов, происходящих на электродах в мощных амальгамных лампах низкого давления в пусковом и в стационарном режимах работы при разрядных токах несколько ампер и частоте тока разряда 43 кГц при пониженных давлениях 0.51 торр смесей газов аргон-неон и паров ртути. Выявлены основные причины разрушения электродов мощных амальгамных ламп низкого давления в пусковом и стационарном периодах работы лампы. Предложен способ нанесения на триспиральные электроды мощной амальгамной лампы низкого давления карбонатной суспензии, предварительно обработанной ультразвуком, позволяющий увеличить массу оксидной смеси для увеличения ресурса.

2. Установлено, что в пусковой период работы лампы механизмами воздействия плазмы на электроды являются: распыление электрода ионами в

фазе тлеющего разряда и термодеструкция активного слоя, происходящая под влиянием резкого повышения температуры электрода после зажигания дугового разряда в лампе. Вклад термодеструкции на эрозию эмиссионного слоя электродов сравним с величиной эрозии в фазе тлеющего разряда, а в некоторых случаях может даже превосходить ее. Предложен способ зажигания мощных амальгамных ламп низкого давления, позволивший значительно увеличить максимальное число их включений с 300-500 до 200000 раз. На этой основе разработан и серийно выпускается электронный пускорегулирующий аппарат, защищенный двумя патентами.

3. Показано, что выделение продуктов эрозии материала электрода в рабочий газ и их осаждение на стенках не является основной причиной снижения мощности УФ излучения при длительной работе мощных амальгамных ламп низкого давления. Основной вклад в снижение уровня УФ излучения при длительной работе ламп вносит уменьшение пропускания стенками лампы резонансного излучения с длиной волны 254 нм вследствие осаждения на них ионов ртути из плазмы разряда в результате процесса амбиполярной диффузии.

4. Выявлено, что в стационарном режиме работы основным процессом, приводящим к термическому разрушению материала электродов, является нагрев электродов электронами в анодный полупериод работы лампы. Предложен метод измерения катодного и анодного падений напряжений в мощных амальгамных лампах низкого давления. Метод основан на раздельном определении катодного падения путем изменения эмиссии катода и суммы анодного и катодного падений, путем исключения падения напряжения в положительном столбе. Катодное и анодное падения напряжений равны, соответственно, 10.8 и 2.4 В. Анодное падение в мощных амальгамных лампах измерено впервые. Определены способы защиты оксидного вещества электродов от перегрева - применение защитных экранов. Для защиты электродов в анодный период разработаны конструкции с потенциальными экранами в виде танталовой пластинки или цилиндрического экрана с закрытым торцом со стороны плазмы, позволяющие значительно увеличить ресурс при низких давлениях 0.5 торр. Показано, что электродные узлы с этими потенциальными экранами наиболее эффективны. Показано, что электродные узлы с непотенциальными экранами - неэффективны.

5. Определено, что полые электроды могут быть применены в области низких давлений менее 1 торр в лампах с колбой большого диаметра. Показано, что при более высоких токах и низких давлениях ресурс полого электрода больше, чем всех других исследованных электродов.

Статьи в журналах, входящих в перечень ВАК:

1. Васильев А.И., Василяк Л,М., Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н., Соколов Д.В., Старцев А.Ю. Измерение катодного и анодного падения напряжения в мощных амальгамных лампах низкого давления. II Прикладная Физика. 2010. №3. С. 18-23.

2. Васильев А.И., Василяк Л.М., Костюченко С.С., Кудрявцэв Н.Н., Соколов Д.В., Старцев А.Ю. Влияние пускового режима на срок службы электродов мощных амальгамных ламп низкого давления. II Светотехника. 2009. №1. С.4-9.

3. Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н., Микаева С.А., Соколов Д.В., Старцев А.Ю. Метод повышения срока службы бактерицидных ламп низкого давления путём улучшения физико - механических свойств оксидной суспензии для электродов ламп. // Инженерная физика. 2009. №6. С. 19-21.

4. Васильев А.И., Василяк Л.М., Дроздов Л.А., Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н., Микаева С.А., Соколов Д.В., Старцев А.Ю. Продление срока службы амальгамных ламп низкого давления путём улучшения конструкции электродного узла. II Инженерная физика. 2009. №1. С. 25-31.

Патенты:

1. Васильев А.И., Кожуров В.Н., Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н., Польяников А.А., Соколов Д.В., Старцев А.Ю., Урбанович В.А. “Способ и устройство для зажигания газоразрядной лампы”. Патент на изобретение РФ № 2328094. Класс С1. Приоритет изобретения 18. 09. 2006 г. Зарегистрирован в государственном реестре изобретений РФ 27. 06. 2008 г.

2. Васильев А.И., Кожуров В.Н., Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н., Польяников А.А., Соколов Д.В., Старцев А.Ю., Урбанович В.А. “Способ и устройство для зажигания газоразрядной лампы". Патент на изобретение РФ № 2319323. Класс С1. Приоритет изобретения 20. 04. 2006 г. Зарегистрирован в государственном реестре изобретений РФ 10. 03.2008 г.

Материалы в трудах конференций:

1. Васильев А.И., Василяк Л.М., Дроздов Л.А., Костюченко С.В., Печеркин В .Я, Соколов Д.В, Старцев А.Ю., Хаецкий Д.П. Возможность продления срока службы электродов бактерицидных ламп низкого давления методом выбора оптимальной конструкции электродного узла. II Материалы 4-й Всероссийской конференции Физическая электроника. 2006. 23-26 октября. Махачкала. С. 8588.

2. Васильев А.И., Василяк Л.М., Дроздов Л.А., Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н., Микаева С.А., Соколов Д.В, Старцев А.Ю. Увеличение ресурса работы оксидных электродов амальгамных ламп низкого давления повышенной

мощности. II Материалы Всероссийской (с международным участием) конференции Физика низкотемпературной плазмы. 2007. Петрозаводск. С. 4853.

3. Васильев А.И., Василяк Л.М., Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н., Соколов Д.В, Старцев А.Ю. Влияние на ресурс амальгамных ламп низкого давления защитных экранов в электродных узлах. II Материалы 5-й Всероссийской конференции Физическая электроника. 2008. 26-30 октября. Махачкала. С. 5256.

4. Василяк Л.М., Дроздов Л.А. Костюченко С.С., Соколов Д.В, Старцев А.Ю. Приэлектродные потери электрической мощности в дуге низкого давления с парами ртути. II Материалы 5-й Всероссийской конференции Физическая электроника. 2008. 26-30 октября. Махачкала. С. 65-68.

5. Drozdov L.A., Kostyuchenco S.S., Sokolov D.V., Startsev A.U. The features of electrode units of low pressure power discharge lamps. I113 symposium of DAfP “Licht fur den Arbeitsplatz". 2008. Darmstadt, p. 20 - 24.

6. Старцев А.Ю. Измерение параметров плазмы в мощных амальгамных лампах низкого давления. II Материалы 6-й Всероссийской конференции Физическая электроника. 2010. 23-26 сентября. Махачкала. С. 93-97.

7. Василяк Л.М., Старцев А.Ю. Измерение приэлектродных падений напряжения в мощных амальгамных лампах низкого давления. II Материалы 6й Всероссийской конференции Физическая электроника. 2010. 23-26 сентября. Махачкала, с. 97-101.

8. Василяк Л.М., Старцев А.Ю. Нагрев электродных узлов мощных амальгамных ламп низкого давления током разряда. Юбилейная конференция ОИВТ РАН, 2010, 20-21 октября. С. 488-491.

Старцев Андрей Юрьевич ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЛАЗМЫ НА ЭЛЕКТРОДЫ МОЩНЫХ АМАЛЬГАМНЫХ ЛАМП НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ И ПОВЫШЕНИЕ СРОКА ИХ

СЛУЖБЫ

Автореферат

Подписано в печать 10.11.2011 г. Формат 60x84/16

Печать офсетная Уч.-изд.л. 1.0 Усл.-печ.л. 1.39

Тираж 100 экз. Заказ №3 Бесплатно

ОИВТ РАН. 125412, Москва, Ижорская ул., 13, стр.2

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Старцев, Андрей Юрьевич, Москва

61 12-5/1758

Учреждение российской академии наук Объединённый институт высоких температур РАН

На правах рукописи УДК 537.7

Старцев Андрей Юрьевич

Исследование влияния плазмы на электроды мощных амальгамных ламп низкого давления и повышение срока их службы

01.04.08 - физика плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д. ф.- м.н., Василяк Л.М.

МОСКВА, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................5

Г ЛАВ AI. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ...................................................14

1.1. Влияние бактерицидного УФ излучения на живые организмы.......17

1.2. Характеристики газоразрядных источников УФ излучения...........19

1.3 Ртутный разряд низкого давления как источник УФ излучения......20

1.3.1. Процессы возбуяедения и релаксации атомов ртути в разряде.......20

1.3.2. Особенности разряда низкого давления в смеси паров ртути и инертного газа..............................................................................22

1.4. Термоэлектронная эмиссия......................................................27

1.4.1. Термоэлектронная эмиссия чистых металлов...........................27

1.4.2. Влияние адсорбированных посторонних веществ на термоэлектронную эмиссию чистых металлов..................................31

1.5. Назначение и работа электродов ламп низкого давления. Электроды амальгамных ламп низкого давления.............................................33

1.6. Физические процессы вблизи электродов пусковом периоде работы лампы.........................................................................................37

1.7. Влияние околоэлектродных процессов на срок службы электродов амальгамных ламп низкого давления.............................................39

1.8. Методы и результаты исследований влияния физических процессов, происходящих вблизи электродов на срок службы электродов амальгамных ламп низкого давления.............................................42

1.9. Предлагаемые способы защиты электродов ламп низкого давления от воздействия плазмы..................................................................60

1.10. Пускорегулирующие аппараты (ПРА).......................................64

1.10.1. Работа ртутных ламп на переменном токе с резистором в качестве токоограничивающего элемента.....................................................64

1.10.2. Работа РЛ с конденсатором в качестве токоограничивающего элемента......................................................................................

1.10.3. Работа PJI с дросселем или трансформатором с большим внутренним сопротивлением в качестве токоограничивающего элемента.....................................................................................66

1.10.4. Электронный пускорегулирующий аппарат............................69

1.11. Заключение к обзору литературы и постановка задачи................75

Глава 2. Исследование физических процессов на электродах мощных амальгамных ламп низкого давления и продление их ресурса в пусковой период.................................................................78

2.1. Метод исследований.................................................................84

2.2. Экспериментальная часть........................................................91

2.3. Экспериментальное нахождение верхнего предела температуры электрода..................................................................................110

2.4. Экспериментальное ЭПРА......................................................112

2.5. Выводы к главе 2..................................................................116

Глава 3. Исследование физических процессов на электродах мощных амальгамных ламп низкого давления и защита электродов от воздействия плазмы в стационарный период.....................................................................................118

3.1. Вольтамперные характеристики стандартной лампы при работе в стационарном режиме..................................................................120

3.2. Определение параметров газового разряда в лампе.....................121

3.2.1. Определение катодного падения напряжения............................125

3.2.2. Методика определения суммарного и анодного падения напряжений на электродах лампы.................................................129

3.2.3. Определение температуры и концентрации электронов в положительном столбе дугового разряда низкого давления...............130

3.3. Экспериментальные электродные узлы с применением экранов для защиты электродов.....................................................................137

3.3.1.Потенциальные экраны электродов. Результаты экспериментов.145

3.3.1.1. Расчёт температурных режимов потенциальных экранов........153

3.3.2. Непотенциальные экраны. Результаты экспериментов.............160

3.3.3. Защитные экраны. Выводы..................................................165

3.4. Способ нанесения карбонатной суспензии с целью увеличения массы активного вещества на электроде..................................................166

3.4.1. Экспериментальная часть....................................................169

3.4.2. Выводы к § 3.4....................................................................172

3.5. Исследование возможности использования полых электродов в мощных амальгамных лампах низкого давления.............................172

3.5.1. Полый электрод с внутренним нагревателем...........................175

3.5.2. Полый электрод с наружным нагревателем.............................178

3.5.3. Выводы к § 3.5........................................................................181

Заключение...............................................................................182

Список литературы.................................................................189

Введение Актуальность исследования

Для сохранения высокого КПД генерации УФ излучения при повышении мощности амальгамных ламп необходимо понижать давление буферного инертного газа менее 1 торр при сохранении парциального давления паров ртути на уровне 7-10 мторр, однако это приводит к уменьшению срока службы электродов. Этот процесс ещё более усугубляется в мощных амальгамных лампах с оксидными катодами, поскольку для увеличения удельной мощности необходимо увеличивать ток разряда до нескольких ампер, в результате чего возрастает скорость расходования оксидного слоя. Влияние плазмы на электроды будет разным во время включения и в течение длительной работы без включений. При включениях лампы процесс износа электрода значительно ускоряется. На начало данной работы ресурс электродов мощных амальгамных ламп составлял всего 200-300 включений, а для большинства применений требовался ресурс в несколько тысяч включений.

актуальна для ламп, устанавливаемых на объектах, где происходят частые включения и выключения. Вторая часть задачи чрезвычайно важна при работе ламп на объектах, которые должны работать непрерывно, например, на станциях обеззараживании воды. Практика требовала увеличения срока службы лампы при её длительном непрерывном горении с 8 тысяч часов до 12-16 тысяч, при этом ресурс электродов должен быть больше и составлять 16-20 тысяч часов.

Эрозия материала электродов также ведет к переносу продуктов эрозии на стенки лампы. Это приводит к снижению пропускания колбы лампы и, как следствие, к уменьшению выхода ультрафиолетового излучения и к снижению рабочего ресурса лампы. Необходимо было разработать электрод, способный работать длительное время в мощных амальгамных лампах с током разряда несколько ампер при низких давлениях 0.5-1 торр, выдерживать большое количество включений и не оказывать влияние на генерацию и выход УФ излучения. Необходим и электронный пускорегулирующий аппарат (ЭПРА), обеспечивающий длительную работу электродов.

Цель работы и задачи исследования

Ставятся следующие задачи:

пусковом и стационарном режимах работы мощной амальгамной лампы низкого давления.

Методы исследования При исследовании влияния плазмы на электроды в пусковой период работы лампы регистрировался процесс зажигания лампы с помощью видеосъёмки; одновременно измерялись мощность УФ излучения и электрические параметры ламп и ЭПРА. Для выяснения причин, приводящих к быстрому выходу из строя электродов ламп при многократных включениях, были проведены исследования ламп на максимальное число включений, которое выдерживает лампа, работающая в определённом режиме работы. Измерялся спад уровня УФ излучения лампы в зависимости от числа включений и от времени непрерывной работы лампы. Электрические параметры лампы ЭПРА измеряются с помощью анализатора мощности УОКХЮА^УА Рг 4000 с погрешностью 0.5%. Проводилось измерение

температуры электродов в пусковом периоде работы лампы (до зажигания дугового разряда в лампе) с помощью косвенного метода измерения. Метод предусматривал измерение электрического сопротивления накаленных электродов непосредственно перед зажиганием разряда в лампе. При исследовании влияния плазмы на электроды в стационарный период работы лампы программа исследований включала ресурсные испытания экспериментальных ламп в течение 1-2 лет, а также периодическое измерение их электрических параметров и мощности УФ излучения.

Научная новизна исследования

1. Предложен способ зажигания мощных амальгамных ламп низкого давления, позволивший значительно увеличить максимальное число их включений с 300 - 500 до 200000 раз. На этой основе разработан и серийно выпускается электронный пускорегулирующий аппарат, защищенный двумя патентами.

4. Разработаны конструкции электродов для мощных амальгамных ламп низкого давления, позволяющих значительно увеличить срок службы электродов при пониженных давлениях 0.5-1 торр. Выявлено, что полые электроды могут быть применены в мощных амальгамных лампах в области низких давлений менее 1 торр в разрядных трубках большого диаметра.

Научная и практическая ценность Результаты исследований могут быть использованы при проектировании и разработке новых электродов с большим ресурсом,

позволяют значительно увеличить срок службы мощных амальгамных ламп низкого давления.

Следующие полученные результаты используются при производстве ламп:

1. новая конструкция ЭПРА, позволяющая увеличить срок службы электродов мощной амальгамной лампы низкого давления в пусковом режиме работы лампы.

2. новые электродные узлы, позволяющие увеличить срок службы электродов мощной амальгамной лампы низкого давления в стационарном режиме работы лампы.

3. разработанный способ нанесения на электроды лампы карбонатной суспензии, позволяющий увеличить массу эмиттирующего вещества. Достоверность научных результатов и обоснованность научных

Основные положения, выносимые на защиту 1. Результаты экспериментального исследования процессов, происходящих на электродах в разряде переменного тока частотой 43 кГц при пониженных давлениях 0.5-1 торр смесей газов аргон-неон и паров ртути. Выявлены основные причины разрушения электродов мощных амальгамных ламп низкого давления в пусковом и стационарном периодах работы лампы. Показано, что выделение продуктов эрозии материала электрода не является основной причиной снижения мощности УФ излучения при длительной работе мощных амальгамных ламп низкого давления. Способ нанесения на электроды мощной амальгамной лампы низкого давления карбонатной

суспензии, предварительно обработанной ультразвуком, позволяющий увеличить массу оксидной смеси для увеличения ресурса.

2. Выявлено, что в стационарном режиме работы основным процессом, приводящим к термическому разрушению материала электродов, является нагрев электродов электронами в анодный полупериод работы лампы. Анодное падение в мощных амальгамных лампах низкого давления измерено впервые. Метод определения катодного и анодного падений напряжений в мощных амальгамных лампах низкого давления с дугой низкого давления переменного тока с частотой 10-100 кГц.

Краткое содержание диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав и заключения.

В первой главе представлен литературный обзор, в котором рассматриваются газоразрядные источники УФ излучения, ртутный разряд

низкого давления, физические процессы, происходящие вблизи электродов, взаимодействие плазмы и электродов, приводящее к разрушению электродов и, как следствие, к выходу лампы из строя. Показано, какие процессы приводят к потере эмиссионного вещества электродом и его дальнейшему разрушению в периоды работы лампы в пусковом и стационарном режимах. Основными процессами, приводящими к разрушению материала электрода в пусковом периоде работы лампы, является ионное распыление, в стационарном режиме работы - главным образом испарение материалов электрода. Рассматриваются предлагаемые способы увеличения срока службы электродов ламп низкого давления. Описываются принципы работы различных пускорегулирующих аппаратов.

Во второй главе описываются экспериментальные установки, методики измерений и результаты исследования процессов, происходящих вблизи электродов и непосредственно на электродах мощных амальгамных ламп низкого давления в пусковом режиме работы лампы. При проведении экспериментальных исследований измерялась мощност�