Разработка особо долговечных электродов высокоинтенсивных газоразрядных источников света

Хабибулин, Рашид Исмаилович

Разработка особо долговечных электродов высокоинтенсивных газоразрядных источников света тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Хабибулин, Рашид Исмаилович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2005 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Разработка особо долговечных электродов высокоинтенсивных газоразрядных источников света»

Автореферат диссертации на тему "Разработка особо долговечных электродов высокоинтенсивных газоразрядных источников света"

На правах рукописи

ХАБИБУЛИН Рашид Исмаилович

РАЗРАБОТКА ОСОБО ДОЛГОВЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫХ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА

Специальность 01.04.07 -физика конденсированного состояния

Автореферат диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2005

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте перспективных материалов и технологий при Московском государственном институте электроники и математики (техническом университете)

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, профессор Бондаренко Г.Г.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Якункин М.М.

кандидат технических наук Звонецкий В.И.

Ведущая организация

Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)

Защита состоится 2005 г. в J^ч мин,

на заседании диссертационного совета Д 212.141.17 при Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана по адресу: 248600, г. Калуга, ул. Баженова, 4, МГТУ имени Н.Э. Баумана, Калужский филиал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана, Калужский филиал (г. Калуга, ул. Баженова, 4)

Автореферат разослан » /¿■¿CeJ?_2005г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Лоскутов С.А.

19к->

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы определяется тем, что с развитием человечества все более значимой становится роль искусственного освещения, без которого практически невозможно современное промышленное производство, научные исследования, высокоэффективное сельское хозяйство.

После использования в качестве искусственных источников света открытого пламени, наиболее массово применяемыми стали лампы накаливания. Однако их низкий коэффициент полезного действия, находящийся на уровне 5%, при постоянном удорожании электроэнергии сделал применение ламп этого типа чрезвычайно неэффективным.

В 1920-1930 годах было открыто, что при определенных условиях газовый разряд в парах ртути позволяет до 60% электроэнергии преобразовывать в световую, и в 1940 году стали производиться первые газоразрядные лампы.

На сегодняшний день эти лампы занимают самое важное место среди источников искусственного освещения. В экономически развитых странах мира на их долю приходится более 80% светового потока.

При этом приоритетное место принадлежит газоразрядным лампам высокого давления с парами ртути и люминофорным покрытием колбы, получившим название ДРЛ.

Однако, несмотря на пятидесятилетнюю историю существования, в лампах ДРЛ используются первоначальные конструкции и элементная база. При этом ряд параметров, таких как ресурс работы, спад светового потока, напряжение зажигания, устойчивость к перегрузкам по мощности существенно отстают от современных требований. Причина отставания объясняется недостаточной изученностью совокупности взаимосвязанных физических процессов, протекающих при работе ламп высокого давления. Так, например, расчет электродов - базовых элементов ламп, определяющих практически все перечисленные параметры, производился в соответствии с эмпирической схемой, предложенной Г.М. Рохлиным еще в 1966 году. Причем расчет такого сложного элемента производится на основании единственного параметра -диаметра вольфрамовой проволоки, из которой изготовляется керн. Такой же упрощенный подход использовался и при разработке других элементов ламп.

В связи с этим, центральным место« в создании осветительных ламп высокого давления с параметрами, отвечающими современным требованиям, является разработка способов нахождение оптимальных электрофизических параметров электродов, а также их конкретных конструкций и методов изготовления.

Научно-технические задачи совершенствования существующих и разработки новых эффективных разрядных ламп высокого давления непрерывно связаны с исследованиями и разработкой электродов, обеспечивающих заданный уровень потребительских параметров ламп. В связи с этим очевидна

актуальность проведения исследований, комплексно описывающих физические процессы, происходящие в электроде и на его поверхности в результате взаимодействия с газоразрядной плазмой ламп высокого давления. При этом следует отметить, что в мировой литературе отсутствуют работы, посвященные созданию принципиально новых видов электродов.

Целью диссертационной работы являлось выявление основных закономерностей физических процессов, сопровождающих изготовление и работу электродов газоразрядных ламп высокого давления с ртутным наполнением, и разработка спеченных электродов, способных обеспечить указанному классу ламп характеристики, отвечающие современным мировым требованиям.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести комплекс исследований физических характеристик электродов;

- разработать методики исследований и исследовательское оборудование;

- определить возможности повышения долговечности электродов путем оптимизации элементного состава и конструкции;

- разработать конкретные конструкции долговечных электродов;

- разработать способы оптимизации характеристик электродов в составе разрядных ламп.

Научпая новизна полученных результатов состоит в том, что в ходе выполнения диссертационной работы были впервые получены следующие результаты:

- впервые разработаны спеченные электроды для осветительных ламп высокого давления с ртутным наполнением;

- разработана методика исследования системы электорд-горелка и установка для ее реализации;

- определены закономерности, выражающие взаимосвязь основных физических параметров спеченных электродов (распределения температуры, теплопроводности, массы, геометрии поверхности) с характеристиками осветительных ламп;

- определена оптимальная геометрическая форма спеченных электродов;

- найдены возможности восстановления эмиссионных свойств электродов, смонтированных в горелке разрядной лампы, в случае нарушения технологического режима ее изготовления;

- определена взаимосвязь параметров электрода и разрядной плазмы на стадии перехода тлеющего разряда в дуговой.

Практическая ценность работы определяется тем, что результатом проведенных исследований явилось создание нового класса электродов для газоразрядных ламп высокой интенсивности. При этом разработаны:

- параметрический ряд спеченных электродов для ламп типа ДРЛ;

- основные операции, обеспечивающие возможность серийного промышленного изготовления спеченных электродов.

Результаты работы внедрены в производство параметрического ряда газоразрядных ламп высокого давления типов ДРЛ125ПН, ДРЛ250ПН и ДРЛ400ПН (ПН - повышенной надежности), выпускаемых согласно требованиям ГОСТ и в соответствии с ТУ крупнейшими производителями газоразрядных ламп высокой интенсивности в Российской Федерации - ОАО «Лис-ма» и ОАО «МЭЛЗ».

Разработка и освоение производства газоразрядных ламп со спеченными электродами позволили:

- уменьшить себестоимость изготовления ламп за счет снижения цены спеченного электрода по сравнению со спиральным электродом, а также устранения ряда операций технологического процесса;

- увеличить среднюю продолжительность горения ламп с 12000 часов до 18000 часов;

- повысить средний световой поток в процессе срока службы на 2026%;

- уменьшить чувствительность ламп типа ДРЛ к перегрузкам по мощности, а также по напряжению питающей сети;

- уменьшить расход электрической энергии при изготовлении ламп за счет уменьшения времени тренировки горелок и ламп;

- исключить из конструкции ламп типа ДРЛ один из двух дорогостоящих и дефицитных ограничителей тока.

В 2000 году газоразрядные лампы высокого давления со спеченными электродами на престижной выставке «Всероссийская марка (III тысячелетие). Знак качества XXI века» последовательно награждены золотым, платиновым и бриллиантовым знаками этой выставки, а также выиграли конкурс «100 лучших товаров России» и получили диплом лауреата.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту;

1. Разработанные спеченные электроды для осветительных разрядных ламп высокой интенсивности с ртутным наполнением установленной ГОСТ мощностью 125Вт, 250Вт и 400Вт , обеспечивающие оптимальные значения температур заэлектродной зоны, области спеченной части электрода, обращенной в сторону разряда, а также минимальное времени перехода тлеющего разряда в дуговой и выхода горелки на рабочий режим.

Предложенные спеченные электроды обладают повышенной в 1,5 раза долговечностью по сравнению со спиральными.

2. Метод и результаты исследования динамических параметров процессов взаимодействия электродов с разрядной плазмой горелки.

3. Экспериментально установленную взаимозависимость тепловых режимов электродов в горелке с электрическими параметрами разряда, обусловленных конструктивными особенностями электродов и их физическими параметрами

4. Результаты исследования конструктивных параметров и оптималь-

ную геометрическую форму спеченных электродов для ламп ДРЛ.

5. Результаты исследований параметров разрядных осветительных ламп с ртутным наполнением, обусловленных применением разработанных спеченных электродов.

Апробация работы. Основные результаты настоящей работы докладывались и обсуждались на десяти Всесоюзных и международных симпозиумах, конференциях и семинарах, в том числе: Всесоюзном семинаре «Вторичная ионная и ион - фотонная эмиссия», г Харьков, 1988г., Всесоюзном совещании-семинаре «Диагностика поверхности ионными пучками», г Одесса, 1990г , Всероссийской научно-технической конференции «Использование научно-технических достижений в демонстрационном эксперименте и постановке лабораторных практикумов», г Саранск, 1994г., IV и VIII Межнациональных совещаниях «Радиационная физика твердого тела», г Севастополь. 1994, 1998гг, Всероссийской научно-технической конференции «Автоматизация исследования, проектирования и изготовления сложных технических систем и технологических процессов», г. Калуга, 1994г., XXVIII Международной конференции «Физика взаимодействия заряженных частиц с кристаллами», г. Москва, 1998г., IX межнациональном совещании «Радиационная физика твердого тела», г. Севастополь, 1999г., 14 Международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», г. Москва, МГУ, 2000г., X Всероссийской конференции по физике газового разряда, г. Рязань, 2000г.

Публикации. Основные результаты, полученные в работе, опубликованы в 14 печатных работах и защищены двумя патентами РФ и КНР.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, основных выводов, списка использованной литературы (107 наименований) и приложения. Её общий объем составляет 123 страницы, включая 45 рисунков и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается выбор темы диссертационной работы и ее актуальность. Сформулированы цель и задачи работы. Приведены основные научные результаты, выносимые на защиту, а также сведения об апробации положений и выводов диссертационной работы. Показана практическая значимость полученных результатов.

В первой главе представлен обзор научно-технической литературы, посвященной получению и исследованию основных физических свойств эмиссионных материалов, применяемых в спиральных электродах газоразрядных ламп, описанию физических процессов, происходящих при изготовлении электродов и их эксплуатации в разрядных горелках ламп.

В обзоре подробно рассмотрено современное состояние проблемы создания особо долговечных электродов для разрядных осветительных ламп высокого давления.

Срок службы дуговых осветительных ламп во многом определяется стабильностью эмиссионных свойств электродов, которые служат источником электронов, необходимых для поддержания разряда. Эмиссия электронов в дуговом разряде имеет термическую природу, поэтому она существенно зависит от распределения температуры по поверхности электрода, которое определяется процессами его бомбардировки заряженными частицами, ускоряемыми в прюлектродном слое плазмы, и теплопередачи. Скорость ухода с электрода эмиссионного вещества определяется температурой его поверхности, которая зависит от баланса тепловых потоков на ней.

В силу этого одним из основных параметров электродов приборов дугового разряда является температура, особенно в зоне дугового пятна. Она в значительной степени определяет скорость диффузии эмиссионных добавок в область дугового пятна, а также скорости их испарения и разложения. Тепловой режим электрода тесно связан с процессами в примыкающей к нему области газоразрядной плазмы. Происходящие в ней возбуждение и ионизация атомов газа, движение возникающих при этом заряженных частиц оказывают значительное влияние на формирование и поддержание катодного пятна, а также на перенос эмиссионных добавок вдоль поверхности катода.

Рассмотрены основные физические процессы, происходящие в процессе организации дугового разряда в горелке лампы: зажигание тлеющего разряда, переход в дуговой режим и работу в установившемся режиме горения.

В процессе горения дугового разряда происходит разогрев электрода, обусловливающий диффузию эмиссионно-активного вещества к поверхности, испарение ртути в область разряда, а также испарение материала электрода. При этом могут изменяться эмиссионные параметры электрода и состав газовой среды.

Диффузное распространение испаренного материала к стенкам колбы и осаждение на них приводит к снижению прозрачности колбы, что, в свою очередь, может повлечь за собой спад светового потока и перегрев колбы.

Как следует из такой самой общей картины процессов, первоочередными задачами при разработке осветительных ламп высокого давления и электродов для них является исследование температурных режимов электродов в процессе эксплуатации ламп, заэлектродных зон горелок а также нахождение материалов, обладающих оптимальными характеристиками при этих режимах.

В разрядных осветительных лампах высокого давления применяют самокалящиеся электроды. Вследствие достаточно большой плотности тока, составляющей (3-7)103А/см2, и высокой температуры плазмы электроды работают в тяжелом тепловом режиме. Плотность мощности, выделяющаяся на электродах в месте «привязки» дуги, достигает сотен ватт на один квадратный сантиметр. Рассеяние подобных плотностей мощности при помощи излучения с поверхности, на которую горит дуга, привело бы к неминуемому

перегреву и крайне быстрому испарению в первую очередь материала активатора.

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

На рис.1 представлены некоторые конструкции электродов этого типа для ртутных ламп ВД.

В общем случае все спиральные электроды имеют следующий вид:

- на вольфрамовый керн 1 надета двухслойная вольфрамовая спираль 2;

- промежутки между витками спирали 3, а иногда и пространство между керном и спиралью 4, заполняется эмиссионным (активным) веществом, в качестве которого используются оксиды, цирконаты, вольфраматы щелочноземельных, а также оксиды редкоземельных металлов.

Рис. 1. Электроды ртутных ламп высокого давления переменного тока трубчатой формы: 1 - сердечник (керн) из вольфрама; 2 - вольфрамовые спирали; 3 - эмиссионное вещество; 4 - блок активирующего вещества

Законченного инженерного расчета, позволяющего найти оптимальные размеры электрода, не существует до настоящего времени.

Спиральные электроды исчерпали потенциальные возможности совершенствования и при этом им остались присущи существенные недостатки.

Во-первых, количество активного вещества ограничивается возможностью механической адгезии к поверхности вольфрамовой спирали и на практике находится на уровне порядка 2,5 мг. Вследствие различных коэффициентов термического расширения вольфрама и активатора происходит разрушение и осыпание последнего в результате жестких термоциклов при включении и выключении лампы. Немаловажным фактором является высокая стоимость вольфрамовой проволоки и высокие требования к механическим свойствам вольфрама, используемого для навивки спирали, невыполнение которых является частой причиной брака.

Двухслойная спираль, надетая на керн, имеет очень малую площадь контакта с керном, а также между собственными соседними витками. Поэтому наблюдается существенный градиент температуры по длине электрода, достигающий нескольких сотен градусов. В то же время известно, что скорость испарения основного эимссионного элемента - бария, - увеличивается в таком случае на порядки.

Перечисленные факторы приводят к отказам в зажигании, а высокий уровень распыления материала электрода ионной бомбардировкой в стадии разгорания лампы значительно уменьшает световой потока вследствие запы-ления стенок горелки. Неоптимальное распределение температуры по электроду на стадии дугового разряда приводит к ускоренному испарению активатора, снижая долговечность лампы, а также световой поток.

Учитывая то обстоятельство, что недостатки спиральных электродов всесторонне изучены, но их устранение в существующей конструкции практически невозможно, было предложено применить так называемые «синте-рированные» или «спеченные» электроды, потенциально обладающие более высокой теплопроводностью и лучшей защитой активатора.

Вторая глава посвящена моделированию процессов взаимодействия электродов с разрядной плазмой.

В приборах дугового разряда источником электронов является накаленный катод. При отсутствии устройства предразрядного нагрева катода невозможно мгновенное зажигание дугового разряда при подаче напряжения на электроды. Вначале зажигается тлеющий разряд, для которого характерно катодное падение потенциала 100-200В, а основным механизмом эмиссии электронов с катода является потенциальная ионно-электронная эмиссия. Через некоторое время температура катода в результате его нагрева ионной бомбардировкой достигает значений, при которых возможна заметная термоэмиссия и разряд переходит в дуговой, для которого катодное падение потенциала равно 10-20В.

Для стабилизации горения разряда в лампе последовательно с горелкой в цепь включается балластное сопротивление Л, поэтому разрядный ток определяется уравнением

ис+мз = и0,

где 11() - приложенное к лампе напряжение, 8 - площадь части поверхности

катода, занятой разрядом.

Уравнение теплового баланса для катода, определяющее изменение его температуры в процессе разогрева, можно записать в виде

2ис-^ + и1-(1 + у1)Фс -ЭаТ48,

где и^ - потенциал ионизации атома газа, с, р и 9 - теплоемкость, плотность и излучательная способность материала катода, а - постоянная Стефана-

сУр—= л8 А

Больцмана.

Проведенные в соответствии с составленным уравнением теплового баланса временные зависимости катодного падения потенциала ис и температуры Т цилиндрического катода радиуса 1,4 мм и длины 3,5 мм из вольфрама с добавками оксидов щелочноземельных металлов после зажигания тлеющего разряда в аргоне при р=2600Па показали, что в течение первых трех секунд происходит разогрев катода до температуры 1200 К, а затем за время порядка 0,1 секунды разряд переходит в дуговой.

Эмиссия электронов, необходимых для поддержания разряда в дуговых лампах высокого давления, имеет термическую природу, поэтому она существенно зависит от распределения температуры по поверхности электрода и теплопередачи через газ и соединение электрода с колбой прибора.

В работе построена двумерная модель тепловых процессов в объеме цилиндрической осесимметричной разрядной колбы с электродом, состоящим из вольфрамового керна, на который напрессована в виде цилиндра спеченная масса из смеси порошка вольфрама и эмиссионного вещества, содержащего оксиды щелочных и редкоземельных металлов (рис.2).

Распределение температуры Т в объеме разрядной колбы описывается нестационарным уравнением теплопроводности

Рис. 2. Схема нижней части разрядной колбы: 1 - электрод; 2 - колба; 3 - газ; Ь - плоскость симметрии

где X, с, р - коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость и плотность материала элементов колбы, / - плотность источников тепла, которая отлична от нуля в столбе разряда и равна

/ = /£,

где 7 — плотность разрядного тока, Е- напряженность электрического поля, с граничными условиями в плоскости симметрии колбы &

и на всей остальной поверхности колбы Т = Г0. В рабочем режиме дуга контактирует лишь с верхним торцом керна электрода, который в разряде постоянного тока выполняет функции катода. Следовательно, плотность теплового симметрии потока, поступающего на катод вследствие его бомбардировки потоком ионов из плазмы дуги, отлична от нуля только на верхнем торце керна и равна (С/с+£/,), где ], -плотность ионного тока, ис - катодное падение потенциала дугового разряда, и, - потенциал ионизации газа, наполняющего лампу. Разогретый торец кер-

на эмиттирует электроны, что приводит к уносу энергии из электрода. Плотность потока тепла, связанная с этим процессом, равна ]/рс, где ]е - плотность электронного тока, фс - работа выхода поверхности. Электрод также теряет тепло за счет излучения с части его поверхности, контактирующей с газом. Соответствующая плотность теплового потока определяется выражением уаТ4, где сг - постоянная Стефана-Больцмана, % - излучательная способность поверхности. Таким образом, граничное условие на верхнем торце керна электрода определяется соотношением

*Д = л(1/е + £/,)-Лср.-хаГ4, а на части его поверхности, контактирующей с газом,

дп

где п - нормаль к поверхности.

Рассчитанные распределения температуры вдоль оси симметрии колбы и в радиальном направлении вдоль г = I приведены на рис.3 и рис.4.

Расчеты производились для колбы диаметром 18 мм и длинной 80 мм при Аг = 025 мм, Дг-01мм и Г0 = бООК, причем принимались во внимание температурные зависимости теплофизических характеристик элементов колбы .

Отвод тепла излучением с части поверхности электрода, контактирующей с газом, составляет 65 %, теплопередачей через газ -- 5 %, а теплопередачей через стекло в месте соединения электрода с колбой - 30 %.

53»' та

1550

О г 4 6 » 10 12 И 16 1! 20 22 24 26 Я Ю 32 Я 56 3? 40

Рис. 3. Распределение температуры вдоль оси симметрии колбы

Рис.4. Распределение температуры в радиальном направлении (г - /)

В третьей главе приведены методики и результаты исследований динамических характеристик процессов взаимодействия электродов с разрядной плазмой и определения оптимальной конструкции спеченного электрода.

После того, как напряжение на электродах достигнет уровня 111гр (напряжения зажигания тлеющего разряда), в горелке зажигается тлеющий разряд, осциллограммы напряжения и тока которого приведены на рис. 5.

Дальнейшее повышение напряжения переводит тлеющий разряд в стадию аномального, при котором происходит разогрев электродов или их отдельных участков до температуры возникновения термоэмиссии. Разряд переходит в стадию дугового, напряжение на разрядном промежутке резко падает, а ток возрастает. Соответствующие осциллограммы приведены на рис.6.

Описанная последовательность процессов повторяется на каждой полуволне питающего напряжения, после чего возможны два варианта развития ситуации:

- количество теплоты, сообщаемое электродам разрядом, достаточно для сохранения температуры термоэлектронной эмиссии до прихода следующей полуволны напряжения. В этом случае дуговой разряд зажигается на каждом полупериоде напряжения, минуя стадию тлеющего;

- электроды успевают остыть до прихода следующей полуволны напряжения и зажиганию дуги предшествует стадия тлеющего разряда.

Существуют четыре информативных параметра, описывающих процесс:

- напряжение зажигания тлеющего разряда и^;

- величина тока зажигания дугового разряда Г,д,;

- температура электрода Тд, обеспечивающая поддержание дугового разряда;

- время т, в течение которого происходит разогрев электрода до Тд.

В свою очередь перечисленные параметры обусловливаются рядом физических характеристик электродов:

- иэтр - работой выхода и коэффициентом ионно-электронной эмиссии материала электрода:

- 1здр, Тд - работой выхода материала электрода:

- т - массой, геометрией и излучающей способностью электрода, а также конструкцией его крепления в горелке

Рис. 5 Осциллограммы напряжения (синусоида) и тока тлеющего разряда, ю

Рис.б.Осциллограммы напряжения синусоида) и тока дугового разряда.

С учетом сказанного, методика исследований основывалась на измерении теплопроводности материала электрода, напряжения возникновения тлеющего разряда, тока перехода в дуговой разряд, времени переходного процесса, температуры областей электродов, обращенных в сторону разряда и в сторону закатодного пространства (рис.7). После набора статистических данных по значениям перечисленных параметров, производится анализ полученных результатов и определение параметров электродов, подлежащих корректировке.

^ Кварц

т, К

1900

1600

/ 1 1

/ 1 У

Г / 7/1

/ * ' 1 1 . г*.

Й '' 9> / .

г/ 4' ™ 1 1 ■

* *А 1 1

1 1 ■

1*Л

Рис. 7. Схема размещения электрода в горелке. Т1 и Т2 -зоны измерения температуры

Рис. 8. Зависимость температуры от тока разряда. Серая линия - спеченный электрод, черная - спиральный. Сплошная - Т2, пунктир - Т1.

На рис.7 показана схема размещения электрода в кварцевой горелке, а на рис.8 - распределение температур в измеряемых областях (погрешность измерения - ширина линии). Как следует из графиков, температура области Т1 у спирального электрода достигает 1800К, что на 300К больше, чем у спеченного электрода. При увеличении силы тока до трех ампер, что характерно для ламп мощностью 400Вт, температура спирального электрода в области Т1 повышается до 2000К, а в области 12 - 1500К, что делает его применение крайне нежелательным. В то же время спеченный электрод сохраняет вполне приемлемые температурные характеристики: в зоне Т2 - 1650К, а в зоне Т1 -1500К.

Установлено, что горение тлеющего разряда, а также дугового разряда низкого давления (в течение времени полного испарения ртути), составляющие менее 1% рабочего времени лампы, уменьшают срок ее службы в два раза. Для увеличения долговечности лампы необходимо выполнение слеп

дующих условий:

- минимальное время существования стадии тлеющего разряда (переходного процесса), на которой происходит активное распыление электродного материала высокоэнергетичными частицами плазмы;

- минимальное время выхода горелки на рабочий режим, характеризующийся снижением величины разрядного тока и давлением газового наполнения, обеспечиваемым полным испарением ртути;

- минимальная температура электрода, при которой величина термоэмиссионного тока обеспечивает требуемый разрядный ток.

Осциллограммы напряжения на горелке в переходном процессе с одним из вариантов электродов представлены на рис.9, и рис. 10.

Как следует из рис 9, оптимально сконструированный электрод обеспечивает переход разряда в дуговой в течении одного полупериода питающего напряжения.

Осциллограмма (рис.10) показывает, что существующий температурный баланс в горелке не позволяет тлеющему разряду перейти в стадию дугового.

Рис.9. Осциллограмма напряжения Рис.10. Осциллограмма напряжения в переходном процессе: в переходном процессе:

разряд переходит в дуговой. разряд не переходи! в дуговой.

Четвертая глава посвящена результатам исследования ламп со спеченными электродами. Испытания проводились в ОАО «Лисма» - основном производителе, выпускающем до 90% разрядных осветительных ламп в СНГ. Типовые испытания, определяемые ГОСТ, показали увеличение долговечности ламп с 12 до 18 тысяч часов при сохранении всех заданных электрических параметрах разряда, причем испытания продолжаются.

Средний начальный световой поток ламп составил 12720 лм, что соответствует требованиям действующих технических условий. При этом спад светового потока после 18 тыс. ч работы ламп в два раза меньше, чем у ламп со спиральными электродами после 12 тыс. ч, а напряжение зажигания при температуре окружающей среды -40°С на 22В ниже соответственно.

Следует отметить, что ведущие зарубежные фирмы, в частности, фирма

«Филипс» (являющаяся одним из мировых лидеров среди производителей источников света), регламентируют напряжение зажигания ламп на уровне значений 210В при минимальной температуре -18°С.

Таким образом, можно констатировать, что вновь разработанные лампы значительно превосходят мировые стандарты требований по зажиганию при отрицательных температурах, что также обеспечивает более надежное зажигание отечественных ламп и при нормальных условиях.

Подобное обстоятельство позволяет исключить один из двух ограничителей тока при безусловном выполнении требований технических условий в части напряжения зажигания ламп типа ДРЛ как при нормальных условиях, так и при воздействии отрицательных температур до минус 40°С включительно. При этом устраняется один токоввод и четыре сварных точки, что дополнительно уменьшает себестоимость ламп.

Весьма важной является повышенная устойчивость спеченных электродов к распылению в тлеющем разряде. Исследования показали, что в режиме частых включений (цикл работы лампы состоит из ее включения, выхода на рабочий режим, выключения и остывания) заметный налет распыленного вещества электрода на стенках горелки появляется сто - двести циклов при использовании спиральных электродов, а при использовании спеченных электродов налет отсутствует даже после 2000 циклов.

В процессе эксплуатации ламп происходят процессы, оказывающие серьезное влияние на уровень светового потока:

- распыление материала электродов и осаждение его на внутреннюю поверхность кварцевой горелки, в результате чего коэффициент пропускания потока излучения уменьшается;

- уменьшение коэффициента пропускания кварцевого стекла горелок вследствие его загрязнения непрозрачными частицами вольфрама приводит к локальному перегреву загрязненных участков горелки и к последующей лавинообразной кристаллизации кварцевого стекла. Кристаллизация кварцевого стекла горелок является основной причиной выхода ламп из строя либо по причине спада (сверх допустимого) светового потока, либо вследствие механического разрушения горелок, поскольку кристаллизация кварцевого стекла резко уменьшает его механическую прочность.

Вследствие пониженной температуры спеченных электродов указанные процессы в лампах с их использованием происходят существенно медленнее.

Так, световой поток ламп типа ДРЛ 250ПН, изготовленных со спеченными электродами, после 18000 часов горения составляет 8170 лм, в то время как световой поток ламп этой же мощности, изготовленных с обычными электродами, после всего 12000 часов горения составляет только 4445 лм.

Таким образом, средний световой поток вновь разработанных ламп по сравнению с традиционными увеличился с 8570 лм до 10785 лм, т.е почти на 26 %.

В ОАО «Лисма» были проведены направленные испытания устойчивости ламп типа ДРЛ мощностью 250 Вт со спеченными и спиральными электродами к перс1рузкам по мощности.

Для этого указанные лампы мощностью 250 Вт в количестве по 10 шт. с каждым типом элекгродов были поставлены на испытания на продолжительность горения в схеме с 400 ваттным дросселем, в результате чего мощность ламп увеличивалась до 380Вт В результате испытаний выявилось, что уже после 2000 часов 6 ламп типа ДРЛ250 с традиционными спиральными элек-гродами вышли из строя из-за разгерметизации горелок ламп в заэлектрод-ной зоне (интенсивная рекристаллизация кварца). Лампы же со спеченными электродами даже после 5000 часов горения были работоспособными. Таким образом, газоразрядные лампы типа ДРЛ со спеченными электродами при работе в режиме повышенной мощности обладают повышенным более, чем в два с половиной раза ресурсом работы Учитывая, что превышение напряжения питающей сети является повседневным явлением в России и СНГ, данное свойство спеченных электродов имеет существенное практическое значение

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведен расчет температурных условий работы спеченных электродов Рассчитаны распределения температуры вдоль оси симметрии горелки и в радиальном направлении вдоль.

Выявлено, чю отвод гепла излучением с части поверхности электрода, контактирующей с газом, составляет 65 %, теплопередачей через газ - 5 %, а 1еилопередачей через стекло в месте соединения электрода с колбой - 30 %

Проведенные расчеты показали, что применение спеченного электрода позволяет в два - три раза снизить температурный градиент вдоль образующей его цилиндрической части При этом абсолютная величина разности температур по длине электрода не превышает 150К Расчетные значения подтверждены экспериментально полученными данными

2. Разработаны методы и оборудование для исследования динамических характеристик процессов взаимодействия электродов с разрядной плазмой.

3. Установлено, что в рабочем режиме температура максимально нагретого участка спеченного электрода, содержащего активатор, не превышает 1580К, что как минимум на 300К меньше, чем у спирального электрода

4 Показано, что время выхода лампы со спеченными электродами на рабочий режим составляет порядка 60% от этого параметра для лампы со спиральными электродами

5 Выяснено, что основной механизм поступления активатора на участок керна с катодным пятном - перенос атомов активатора через газовую среду горелки.

6 По результатам исследований определены геометрические размеры электродов для ламп установленной ГОСТ мощностью 125Вт, 250Вт и

400Вт, обеспечивающие получение оптимальных температур заэлектродной зоны, области спеченной части электрода, обращенной в сторону разряда, а также минимального времени перехода тлеющего разряда в дуговой и выхода на рабочий режим.

7. Разработанные спеченные электроды внедрены в производство ламп на ОАО «Лисма», что позволило создать параметрический ряд новых ламп с улучшенными эксплуатационными характеристиками ДР Л1251 III, ДРЛ250ПН, ДРЛ400ПН (индекс «ПН» расшифровывается как «повышенная надежность»). Типовые испытания, проведенные в ОАО «Лисма» показали, что спеченные электроды обеспечивают:

- долговечность ламп, превышающую 18000 часов, соответствующую современным мировым требованиям. За счет применения спеченных электродов долговечность ламп увеличилась на 6000 часов;

- увеличение среднего светового поюка в течение срока службы на 26%;

- десятикратное увеличение срока службы в режиме частых включений, а также более чем двукратное его увеличение в режимах перегрузки по мощности;

- снижение на 10 - 12% напряжения зажигания при отрицательных температурах окружающей среды.

8 Внедрение в производство ламп спеченных электродов позволило усовершенствовать ряд операций изготовления ламп и снизить их себестоимость.

В 2000 году разрядные осветительные лампы высокого давления со спеченными электродами ДРЛ250ПН были представлены на конкурс на престижной выставке «Всероссийская марка (III тысячелетие). Знак качества XXI века» и последовательно награждены золотым и платиновым знаками этой выставки Эти же лампы в 2000 г. выиграли конкурс «100 лучших товаров России» и получили Диплом лауреата всероссийской программы - конкурса.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах

1 Бондаренко Г.Г, Прасицкий В.В , Хабибуллин Р И. Теоретические аспекты выбора металлических материалов для холодных катодов // Металлы - 1995. - №3. - С. 153-157.

2 Бондаренко Г Г , Прасицкий В.В , Хабибуллин Р И Исследование динамики эмиссионных параметров холодного катода, обусловленной распылением эмиссионной поверхности // Радиационная физика твердого тела: Тезисы докладов V Межнационального совещания. - Севастополь, 1995. -С.52.

3 Прасицкий В В., Хабибуллин Р.И Определение оптимальной геометрии малогабаритного холодного катода // Перспективные материалы и технологии: Тезисы докладов международного симпозиума. - Калуга, 1995. С 98.

4 Моделирование потоков распыленных атомов вблизи холодного катода с рельефной эмиссионной поверхностью / Г.Г. Бондаренко, А.П. Коржа-вый, Р И Хабибулин и др // Радиационная физика твердого тела: Материалы VII Межнационального совещания - Севастополь, 1997 - С 118.

5 Расчет потока распыленных атомов, возвращающихся на поверхность мишени при ее неравномерном распылении в плазме тлеющего разряда / Г Г Бондаренко, В И. Кристя, Р И Хабибуллин и др. // Поверхность. - 1998 -№11 -С.111-116

6 Расчет теплового режима спеченных электродов в плазме газоразрядных осветительных ламп / Г.Г Бондаренко, В.И. Кристя, Р.И Хабибуллин и др // Радиационная физика твердого тела: Труды IX межнационального совещания - Севастополь, 1999. - Т2 -С.1113-1115.

7 Влияние переосаждения распыленных атомов на динамику эмиссионных свойств полого холодного катода в тлеющем разряде / Г Г Бондаренко, О Г Бонк, Р И. Хабибуллин и др. // Взаимодействие ионов с поверхностью- Материалы 14 Международной конференции. - М., 2000 -С.147

8 Исследование нагрева электродов освети 1ельных ламп ионной бомбардировкой в плазме дугового разряда / Г.Г. Бондаренко, В В. Прасицкий, Р.И Хабибулин и др. // Физика взаимодействия заряженных частиц с кристаллами- Тезисы докладов XXX Международной конференции. - М., 2000 -С 147

9 Влияние переосаждения распыленных атомов на динамику распределения их гю 1 ока вдоль поверхности полою катода в тлеющем разряде / Г Г Бондаренко, В И Кристя, Р И. Хабибулин и др // Известия РАН Серия физическая -2000 -Т64, №4 - С 754-757.

10 Моделирование перехода тлеющего разряда в дуговой, обусловленного нагревом катода бомбардирующим его ионным потоком / Г I . Бондаренко, В.И Кристя, Р.И. Хабибулин и др. // Физика взаимодействия заряженных частиц с кристаллами: Тезисы докладов XXXI Международной конференции - М., 2001 -С. 87.

11 Sputtered material transport under thin films deposition in alternating curient gas discharge / G G Bondarcnko, О G Bonk, R I. Khabibulin et al. // New Materials and Technologies: Proceedings of the sixth Sino-Russian International Symposium. - Beijing (China), 2001. - P. 410.

12 Создание параметрических рядов особо долговечных электродов и высокоинтенсивных источников света / И.Ф. Минаев, В.В. Прасицкий, Р И Хабибулин и др // Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных, электронных и лазерных технологий: Труды Международной научно-технической конференции. - М.. 2001. - С.12-15.

Хабибулин Рашид Исмаилович

Разработка особо долговечных электродов высокоинтенсивных газоразрядных источников света

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печат Формат бумаги 60x84 1/16.

Бумага типографская № 2. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1.0. Уч.-изд. л. 1.0. Тираж 100 экз. Заказ №

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана Калужский филиал 248600, г. Калуга, ул. Баженова, 4.

РНБ Русский фонд

2006-4 7945

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Хабибулин, Рашид Исмаилович

• Стр. Введение.

Глава 1. Современное состояние проблемы создания особо долговечных электродов для разрядных осветительных ламп высокого давления.

1.1. Общие сведения о физических процессах в газоразрядных лампах высокого давления.

1.1.1. Зажигание тлеющего разряда.

1.1.2. Зажигание дугового разряда.

Ф 1.1.3. Разряд в установившемся режиме.

1.2. Тлеющий разряд в отпаянных приборах.

1.3. Дуговой разряд в отпаянных приборах.

1.4. Современные разрядные осветительные лампы высокого давления

1.5. Электроды, применяемые в лампах высокого давления.

1.5.1. Спиральные электроды.

1.5.2. Спеченные электроды.

Выводы к главе 1.

Глава 2. Моделирование процессов взаимодействия электродов с разрядной плазмой.

2.1. Моделирование нагрева электродов бомбардирующим его потоком частиц, обуславливающего переход тлеющего разряда в дуговой.

2.2. Расчет тепловых режимов электродов в плазме дугового разряда.

Выводы к главе 2.

Глава 3. Исследование динамических характеристик процессов взаимодействия электродов с разрядной плазмой и определение оптимаьной конструкции спеченного электрода.

3.1. Метод исследования динамических характеристик процессов взаимодействия электродов с разрядной плазмой.

• 3.2. Установка для измерения теплопроводности материала электрода.

3.3. Комплексная установка для измерения тепловых и электрических параметров системы электрод —плазма.

3.4. Исследование зависимости распределения температуры по поверхности электрода от его геометрии и величины разрядного тока.

3.5. Исследование динамических характеристик процессов взаимодействия спеченных электродов с разрядной плазмой.

3.5.1. Исследование переходного режима.

3.5.2. Выход на рабочий режим.

3.6. Исследование переноса вещества электродов в ртутных лампах высокого давления.

3.7. Оптимизация геометрической формы спеченного электрода.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Исследование параметров газоразрядных ламп ДРЛ со спеченными электродами.

4.1. Типовые испытания.

4.2. Определение оптимального времени технологической тренировки горелок.

4.3. Исследование возможности использования одного ограничителя тока при использовании спеченных электродов.

4.4. Исследование процесса изготовления ламп со спеченными электродами

4.5. Исследование положительных факторов использования у потребителей.

4.5.1. Увеличение продолжительности горения ламп.

4.5.2. Повышение стабильности светового потока в процессе срока службы ламп.

4.5.3. Снижение чувствительности газоразрядных ламп к перегрузкам 108 по напряжению питающей сети и по потребляемой мощности

Выводы к главе 4.

Введение диссертация по физике, на тему "Разработка особо долговечных электродов высокоинтенсивных газоразрядных источников света"

Одним из важнейших условий существования человеческой цивилизации является наличие света во всех его разновидностях. С развитием человечества все более значимой становится роль искусственного освещения, без которого практически невозможно современное промышленное производство, научные исследования, высокоэффективное сельское хозяйство.

По данным ассоциации «Российский свет» на период начала нового тысячелетия сложилась следующая ситуация с использованием газоразрядных ламп в народном хозяйстве России:

- люминесцентные лампы высокого давления используются в количестве 55 - 60 млн.игг. в год или на сумму 650-700 млн. руб.;

- компактные люминесцентные лампы низкого давления в количестве порядка 500 тыс. шт. в год или на сумму около 15 млн. руб.;

- газоразрядные лампы высокого давления типа ДРЛ в количестве около 10 млн. или на сумму порядка 1200 млн. руб.;

Таким образом, газоразрядные лампы высокого давления типа ДРЛ занимают наряду с широко используемыми в промышленности и быту люминесцентными лампами низкого давления приоритетное место среди используемых в России источников света.

Однако, несмотря на пятидесятилетнюю историю существования, в лампах ДРЛ используются первоначальные конструкции и элементная база. При этом ряд параметров, таких как ресурс работы, спад светового потока, напряжение зажигания, устойчивость к перегрузкам по мощности существенно отстают от современных требований. Причина отставания объясняется недостаточной изученностью совокупности взаимосвязанных физических процессов, протекающих при работе ламп высокого давления. Так, например, расчет электродов - базовых элементов ламп, определяющих практически все перечислен* ные параметры, производился в соответствии с эмпирической схемой, предложенной Г.М. Рохлиным еще в 1966 году. Причем расчет такого сложного элемента производится на основании единственного параметра — диаметра вольфрамовой проволоки, из которой изготовляется керн. Такой же упрощенный подход использовался и при разработке других элементов ламп.

В связи с этим, центральное место в создании осветительных ламп высокого давления с параметрами, отвечающими современным требованиям, является разработка способов нахождение оптимальных электрофизических параметров электродов, а также их конкретных конструкций и методов изготовления.

Актуальность работы. Научно-технические задачи совершенствования су-4 ществующих и разработки новых эффективных разрядных ламп высокого давления непрерывно связаны с исследованиями и разработкой электродов, обеспечивающих заданный уровень потребительских параметров ламп. В связи с этим очевидна актуальность проведения исследований, комплексно описывающих физические процессы, происходящие в электроде и на его поверхности в результате взаимодействия с газоразрядной плазмой ламп высокого давления. При этом следует отметить, что в мировой литературе отсутствуют ра-бсйы, посвященные созданию принципиально новых видов электродов.

Поэтому представленная работа, опирающаяся на многолетний опыт раз-рй&откй и серийного выпуска самых разных типов электродов и посвященная исследованию и разработке особо долговечных спеченных электродов для массовых осветительных ламп высокой интенсивности является важной и актуальной.

Основные научные цели работы:

- проведение комплекса исследований физических характеристик электродов;

- разработка методик исследований и исследовательского оборудования;

- определение возможности повышения долговечности электродов путем оптимизации элементного состава и конструкции;

- разработка конкретных конструкций долговечных электродов;

- разработка способов оптимизации характеристик электродов в составе разрядных ламп.

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

- впервые разработаны спеченные электроды для осветительных ламп высокого давления с ртутным наполнением;

- разработана методика исследования системы электорд-горелка и установка для ее реализации;

- определена оптимальная геометрическая форма спеченных электродов;

Практическая ценность работы. Результатом проведенных исследований явилось создание нового класса электродов для газоразрядных ламп высокой интенсивности. При этом разработаны:

- параметрический ряд спеченных электродов для ламп типа ДРЛ;

-основные операции, обеспечивающие возможность серийного промышленного изготовления спеченных электродов;

Результаты работы внедрены в производство параметрического ряда газоразрядных ламп высокого давления типов ДРЛ12ПН, ДРЛ250ПН и ДРЛ400ПН (ПН - повышенной надежности), выпускаемых согласно требованиям ГОСТ и в соответствии с ТУ крупнейшими производителями газоразрядных ламп высокой интенсивности в Российской Федерации - ОАО «Лисма» и АО «МЭЛЗ».

Разработка и освоение производства газоразрядных ламп со спеченными электродами позволили: уменьшить себестоимость изготовления ламп за счет снижения цены спеченного электрода по сравнению со спиральным электродом, а также устранения ряда операций технологического процесса:

- увеличить среднюю продолжительность горения ламп с 12000 часов до 18000 часов:

- повысить средний световой поток в процессе срока службы на 20 -26%;

- уменьшить чувствительность ламп типа ДРЛ к перегрузкам по мощности, а также по напряжению питающей сети;

- исключить из конструкции ламп типа ДРЛ один из двух дорогостоящих и дефицитных ограничителей тока:

Основные положения и результаты, выносимые на защиту. 1. РазработйННь1е спеченные электроды для осветительных разрядных ламп высокой интенсивности с ртутным наполнением, обладающие повышенной в 1,5 раза долговечностью по сравнению со спиральными.

3. Результаты исследования тепловых режимов электродов в горелке, обусловленных конструктивными особенностями электродов и их физическими параметрами.

4. Результаты исследования конструктивных параметров и оптимальную геометрическую форму спеченных электродов для ламп ДРЛ.

Апробация работы и публикации. Основные результаты настоящей работы докладывались и обсуждались на десяти Всесоюзных и международных симпозиумах, конференциях и семинарах, в том числе: Всесоюзном семинаре «Вторичная ионная и ион - фотонная эмиссия», г.Харьков, 1988г., Всесоюзном совещании - семинаре «Диагностика поверхности ионными пучками», г. Одесса, 1990г., Всероссийской научно - технической конференции «Использование научно - технических достижений в демонстрационном эксперименте и постановке лабораторных практикумов», г. Саранск, 1994г., IV и VIII Межнациональных совещаниях «Радиационная физика твердого тела», г. Севастополь, 1994, 1998гг., Всероссийской научно - технической конференции «Автоматизация исследования, проектирования и изготовления сложных технических систем и технологических процессов», г. Калуга, 1994г., XXVIII Международной конференции «Физика взаимодействия заряженных частиц с кристаллами», г. Москва, 1998г., IX межнациональном совещании «Радиационная физика твердого тела», г. Севастополь, 1999г., 14 международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью», г. Москва МГУ, 2000г., X Всероссийской конференции по физике газового разряда, г. Рязань, 2000г.

Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

Выводы к главе 4

1. Разработанные спеченные электроды позволили ОАО «Лисма» создать параметрический ряд новых ламп с улучшенными эксплуатационными характеристиками ДРЛ 125ПН, ДРЛ250ПН, ДРЛ400ПН.

2. Типовые испытания, проведенные в ОАО «Лисма» показали, что спеченные электроды обеспечивают долговечность ламп, превышающую 18000 часов, соответствующую современным мировым требованиям. За счет применения спеченных электродов долговечность ламп увеличилась на 6000 часов.

3. Средний световой поток в течение срока службы у ламп, оснащенных спеченными электродами, увеличился на 26%.

4. Лампы со спеченными электродами значительно превосходят мировые стандарты требований по зажиганию при отрицательных температурах, что также обеспечивает более надежное зажигание отечественных ламп и при нормальных условиях.

5. Применение разработанных электродов обеспечивает десятикратное увеличение срока службы в режиме частых включений, а также более, чем двукратное его увеличение в режимах перегрузки по мощности.

6. Внедрение в производство ламп спеченных электродов позволило усовершенствовать ряд операций изготовления ламп и снизить их себестоимость.

Заключение. Основные результаты и выводы

1. Проведены теоретические исследования параметров перехода тлеющего разряда в дуговой в случае использования спеченных электродов в горелках ртутных ламп высокого давления. Показано, что эти параметры хорошо согласуются с существующими экспериментальными данными

2. Проведен расчет температурных условий работы спеченных электродов. Рассчитаны распределения температуры вдоль оси симметрии горелки и в радиальном направлении вдоль.

3. Выявлено, что отвод тепла излучением с части поверхности электрода, контактирующей с газом, составляет 65 %, теплопередачей через газ — 5 %, а теплопередачей через стекло в месте соединения электрода с колбой — 30 %.

4. Проведенные расчеты показали, что применение спеченного электрода позволяет в два - три раза снизить температурный градиент вдоль образующей его цилиндрической части. При этом абсолютная величина разности температур по длине электрода не превышает 150К. Расчетные значения подтверждены экспериментально полученными данными.

5. Разработаны методы и оборудование для исследования динамических характеристик процессов взаимодействия электродов с разрядной плазмой.

6. Установлено, что в рабочем режиме температура максимально нагретого участка спеченного электрода, содержащего активатор, не превышает 1580К, что как минимум на ЗООК меньше, чем у спирального электрода.

7. Показано, что время выхода лампы со спеченными электродами на рабочий режим составляет порядка 60% от этого параметра для лампы со спиральными электродами.

8. Выяснено, что основной механизм поступления активатора на участок керна с катодным пятном — перенос атомов активатора через газовую среду горелки.

9. По результатам исследований определены геометрические размеры электродов для ламп установленной ГОСТ мощностью 125Вт, 250Вт и 400Вт. Исходя из получения оптимальных температур заэлектродной зоны, области спеченной части электрода, обращенной в сторону разряда, а также минимального времени перехода тлеющего разряда в дуговой и выхода на рабочий режим, эти размеры составляют: а) Для дамп ДРЛ 125: - диаметр спеченной части 1,8мм;

- длина спеченной части 2,5мм -длинакерна 8мм б) Для дамп ДРЛ250: - диаметр спеченной части 2.7мм;

- длина спеченной части 3,5мм

- длина керна 12мм в) Для дамп ДРЛ400: - диаметр спеченной части Змм;

- длина спеченной части 4мм -длина керна 14мм

10. Разработанные спеченные электроды внедрены в производство ламп на ОАО «Лисма», что позволило создать параметрический ряд новых ламп с улучшенными эксплуатационными характеристиками ДРЛ125ПН, ДРЛ250ПН, ДРЛ400ПН. Индекс «ПН» расшифровывается как «повышенная надежность».

11. Типовые испытания, проведенные в ОАО «Лисма» показали, что спеченные электроды обеспечивают долговечность ламп, превышающую 18000 часов, соответствующую современным мировым требованиям. За счет применения спеченных электродов долговечность ламп увеличилась на 6000 часов.

12. Средний световой поток в течение срока службы у ламп, оснащенных спеченными электродами, увеличился на 26%.

13. Лампы со спеченными электродами значительно превосходят мировые стандарты требований по зажиганию при отрицательных температурах, что также обеспечивает более надежное зажигание отечественных ламп и при нормальных условиях.

14. Применение разработанных электродов обеспечивает десятикратное увеличение срока службы в режиме частых включений, а также более, чем двукратное его увеличение в режимах перегрузки по мощности.

15. Внедрение в производство ламп спеченных электродов позволило усовершенствовать ряд операций изготовления ламп и снизить их себестоимость.

16. В 2000 году разрядные осветительные лампы высокого давления со спеченными электродами ДРЛ250ПН были представлены на конкурс на престижной выставке «Всероссийская марка (III тысячелетие). Знак качества XXI века» и последовательно награждены золотым и платиновым знаками этой выставки.

Эти же лампы в 2000 г. выиграли конкурс «100 лучших товаров России» и получили Диплом лауреата всероссийской программы — конкурса.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Хабибулин, Рашид Исмаилович, Москва

1. Уэймаус Д. Газоразрядные лампы. М.: Энергия, 1977. - 344 с.

2. Рохлин Г.Н. Разрядные источники света. — М.: Энергоатомиздат.1991.-720 с.

3. Luijks G., Vliet J. Glow-to-arc transitions in gas discharge lamps // Lighting Res. Technol. 1988. - V.20, № 3. - P.87-94.

4. Решенов С.П. Катодные процессы в дуговых источниках излучения. -М.: МЭИ, 1991.-250 с.

5. Tungsten radiation measurements during the starting of metal halide lamps / W.W. Byszewski, P.D. Gregor, A.B. Budinger, Y.M. Li // J. Ilium. Eng. Sos.1992. V.21, № 1. -P.85-91.

6. Advances in starting high-intensity discharge lamps / W.W. Byszewski, P.D. Gregor, A.B. Budinger, Y.M. Li // Plasma Sources Sci. Technol. 1996. - V.5, № 4. - P.720-735.

7. Атаев A.E. Зажигание ртутных разрядных источников излучения высокого давления. -М.: МЭИ, 1995. — 168 с.

8. Решенов С.П. О расчете режима катодного пятна на электродах люминесцентных ламп // Светотехника. 1965. - № 12. — С. 25-29.

9. Стаханов Н.П. Неравновесная ионизация в низковольтном дуговом разряде // ЖТФ. 1967. - Т. 37, вып. 7. - С. 1277-1297.

10. Исследование эволюции эмиссионных свойств полого холодного катода в тлеющем разряде / Г.Г. Бондаренко, В.И. Кристя, Н.В. Лищук и др. // Тезисы X Всероссийской конференции по физике газового разряда. — Рязань: РРТИ. — 2000. — С. 65.

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

12. Зимин А.М., Козлов Н.П., Хвесюк В.И. Теоретические исследования термоэмиссионных катодов // Приэлектродные процессы и эрозия электродовплазмотронов: Труды ин-та теплофизики. Новосибирск: Наука, 1977. — С. 740.

13. Приэлектродные процессы в дуговых разрядах / М.Ф. Жуков, Н.П. Козлов, А.В. Пустогаров и др. Новосибирск: Наука, 1982. — 157 с.

14. Kuhl В. Ober das Verhalten von Oxyd Katoden in der Niederdru-ckentaladung // Technische Wissenschafliche Abhaundlungen der Osram Ges-selschafl. 1958. - Bd. 7, № 84. - S. 114-121.

15. Решенов С. П. Расчет режимов работы электродов люминесцентных ламп: Дис. . канд. техн. наук. — М., 1966. — 173 с.

16. Бондаренко Г.Г., Прасицкий В.В., Хабибулин Р.И. Теоретические аспекты выбора металлических материалов для холодных катодов // Известия РАН. Сер. Металлы. 1995. -№3. - С.153-157.

17. Прасицкий В.В., Хабибулин Р.И. Определение плотности разрядного тока на поверхности холодного катода в гелий-неоновой плазме //Взаимодействие ионов с поверхностью: Материалы XII Международной конф. Звенигород, 1995.-С.57-59.

18. Прасицкий В.В., Хабибулин Р.И. Определение оптимальной геометрии малогабаритного холодного катода. — Advanced materials and processes: Тезисы докладов международного симпозиума. Калуга, 1995. — С.98.

19. Прасицкий В.В., Свинцова Г.А., Хабибулин Р.И. Контроль качества технологического процесса изготовления эмиссионной поверхности холодного катода // Advanced materials and processes: Тезисы докладов международного симпозиума. — Калуга, 1995. — С.97.

20. Расчет потока распыленных атомов, возвращающихся на поверхность мишени при ее неравномерном распылении в плазме тлеющего разряда /Г.Г. Бондаренко, В.И. Кристя, В.В. Прасицкий, Р.И. Хабибулин // Поверхность. 1998. -№ 11. - С.111-116.

21. Исследование эволюции эмиссионных свойств полого холодного катода в тлеющем разряде / Г.Г. Бондаренко, В.И. Кристя, В.В. Прасицкий, Р.И. Хабибулин // Труды X Всероссийская конференция по физике газового разряда. Рязань: РРТИ, 2000. - С.65.

22. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987. — 592 с.

23. Самарский А.А. Теория разностных схем. — М.: Наука, 1977. 600 с.

24. Бондаренко Г.Г., Прасицкий В.В., Хабибулин Р.И. Теоретические аспекты выбора металлических материалов для холодных катодов // Известия РАН. Металлы. 1995. -№3. - С.153-157.

25. Коржавый А.П., Кристя В.И., Прасицкий В.В. Радиационные факторы, определяющие долговечность холодного катода гелий-неонового лазера // Радиационная физика твердого тела: Тезисы докладов Пятого межнационального совещания. — Севастополь, 1994. — С.53.

26. Москалев Б.И. Разряд с полым катодом. — М.: Энергия, 1969. — 290 с.

27. Актон Д., Свифт Д. Газоразрядные лампы с холодным катодом. — М.: Энергия, 1965.-480 с.

28. Winters H.F. Elementary processes at solid surfaces immersed in low pressure plasmas // Plasma chemistiy. — Berlin, 1980. — V.3. — P.68-125.

29. Коржавый А.П., Кристя В.И. Физические процессы в прикатодной области тлеющего разряда и прогнозирование долговечности катодных материалов для отпаянных приборов // Обзоры по электронной технике. Сер. Материалы. 1988. - Вып.7(1403). - 40 с.

30. Chatham Н. Ion chemistiy in silane dc discharges // J.Appl.Phys. — 1985. V.58. — P.159-169.

31. Donghty D. Current balance at the surface of a cold cathode // Phys.Rev.Let. 1987. - V.58. - P.2668-2671.

32. Коржавый А.П., Кристя В.И. Физические процессы в прикатодной области тлеющего разряда и прогнозирование долговечности катодных материалов для отпаянных приборов // Обзоры по электронной технике. Сер. Материалы. 1989. - 40 с.

33. Dutton J. A survey of electron swarm data // J.Chem.Phys. Ref.Data. — 1975. — V.4. — P.577-856.

34. Плешивцев H.B. Катодное распыление. M.: Атомиздат, 1968. —344 с.

35. Гродштейн А.Е., Назаров И.Д. Поглощение ионов инертных газов твердыми телами и их десорбция // Обзоры по электронной технике. Сер. Газоразрядные приборы. — 1968. Вып.64. — 43 с.

36. Ананьин B.C., Бабурин А.А., Покосовский JI.H. Исследование внедрения инертных газов в твердое тело при ионной бомбардировке //Электронная техника. Сер. Электровакуумные и газоразрядные приборы. — 1975. — №5. — С.33-37.

37. Иванов З.К. Экспериментальные исследования зависимости поглощения рабочего газа от процессов катодного распыления тлеющего разряда с полым катодом // Труды МЭИ. — 1972. — Вып. 122. — С.157-161.

38. Кесаев И. П. Катодные процессы электрической дуги. — М.: Наука, 1968.-244 с.

39. Грановский В. И. Электрический ток в газе. Установившийся ток. — М.: Наука, 1971.-544 с.

40. ГОСТ 16354-77. Лампы ртутные высокого давления общего назначения.-М., 1983.- 17с.

41. А.с. 680083 СССР. Ртутная газоразрядная лампа высокого давления / А.Е. Атаев, Т.А. Ворончев, Б.М, Мельников и др. // Б.И. 1979. - №30.

42. А.с. 760237 СССР. Ртутная газоразрядная лампа высокого давления / А. Е. Атаев, Ю.А. Кормишкин, Б.М. Мельников и др. // Б.И. 1980. - № 32.

43. Ртутные лампы высокого давления / Под ред. И.М. Весельницкого, Г.Н. Рохлина. М.: Энергия, 1971.-328 с.

44. А.с. 760237 СССР. Ртутная газоразрядная лампа высокого давления / А.Е. Атаев, Ю.А. Кормишкин, Б.М. Мельников и др. // Б.И. 1980. - № 32.

45. А.с. 780375 СССР. Электродный узел газоразрядной лампы / С.П. Решенов, СЛ. Рыбалов // Б.И. 1982. -№ 10.

46. Brunei М., Andre. Influence de la nature du material de la cathode sur les caracterisques d'une decharge a cathode creuse eu regime d'arc // C. R. Acad. Sc. Paris. 1974.-V. 278.-P. 195-197.

47. Физические исследования дугового полого катода / Г. А. Дюжев, С.М. Школьник, Н.И. Митрофанов и др. М.: ФТИ, 1978. - 58 с.

48. Ferreira С.М., Delcroix I.L. Theorie de la decharge d'arc a cathode creuse // Le Journal de Physique. 1975. - V. 36, №12. - P.1233-1248.

49. Ferreira C.M., Delcroix I.L. Theoiy of the hollow cathode arc // Journal of Applied Physics. 1978. - V. 49. - P.2380-2395.

50. Шрадер Т. Полый компактный электрод для газоразрядных ламп низкого давления малой мощности: Дис. канд. техн. наук. — М., 1987. — 156 с.

51. Hantzsche Е. Theory of cathode spot phenomena // Physica. — 1981. — Bd. Be. 104, Hf. 1-2.-S. 3-16.

52. Решенов С. П. Расчет характеристик активной зоны полого катода в условиях дугового разряда // Светотехника. 1978. — № 8. — С. 10-11.

53. Полый катод в газоразрядной лампе / Н.Ф. Антошкин, С.П. Решенов, C.JI. Рыбалов и др. // Тез. докл. на VIII Всес. научн. конф. по светотехнике. — Саранск, 1981. С. 65-67.

54. Решенов С. П., Рыбалов С. JI. Спиральные электроды с режимом полого катода // Тез. докл. на Всес. научн.-техн. совещании по состоянию разработок и производства газоразрядных источников света. — М., 1982. — С. 12-14.

55. Исследование и изыскание эффективных источников электронов для газоразрядных приборов и практика их применения / Х.С. Кан, Б.С Кульварекая, В.И. Баранова и др. // Изв. АН СССР. Сер. физическая 1985. - Т. 49, № 9. -С. 1708-1711.

56. Об оптимизации термокатода дугового разряда / A.M. Зимин, Н.П. Козлов, В.И. Хвесюк и др. // ТВТ. 1982. - Т.10, № 3. - С. 442-446.

57. Нейман В. Приэлектродные процессы в газовом разряде высокого давления // Экспериментальные исследования плазмотронов. — Новосибирск: Наука, 1977. С. 253-292.

58. Баранова В.И., Леонов Г.С., Решенов С.П. Модель катодных процессов в дуговых лампах высокого давления // Светотехника. — 1987. — №8. — С. 912.

59. Любимов Г.А., Раховский В.И. Катодное пятно вакуумной дуги // УФН. 1978. - Т. 125, № 4. - С. 665-707.

60. Эккер Г. Современное развитие теории приэлектродных областей электрической дуги // ТВТ. 1973. - Т. 11, № 4. с. 865-870.

61. Свойства и применение металлов и сплавов для электровакуумных приборов / Под ред. Р. А. Нилендера. — М.: Энергия, 1973. — 336 с.

62. Птицин С.В. Физические явления в оксидном катоде. М.: ГИТТЛ, 1949.- 136 с.

63. Мойжес Б.Я. Физические процессы в оксидном катоде. — М.: Наука, 1968.-479 с.

64. Рохлин Г.Н., Решенов С.П. О цикле атомов оксида в прикатодной области дугового разряда // Светотехника. 1970. - №11. — С. 5-7.

65. Langsdone Е. A. Sintered electrode tube combines best features of hot and cold cathode lighting // Electrical Times. — 1971. № 159. — P. 55-56.

66. Пат. 424374 СССР. Способ изготовления спекающихся электродов для газоразрядных ламп / X. Эбхард (Австрия). — 1974.

67. Pat. 3798492 USA. Emissive electrode / R.A. Menely. 1974.

68. Yasko M., Hiroschi I., Takenobu J. Study of Sintered Electrodes for Mercury Vapour Lamps // Nippon Fungsten Review. — 1976. — N 9. — P. 14-22.

69. Neutnan W. Der Katodenmehanizmus von Hochdruckbogen // Beitr. Plasmaphysik. 1969. - Bd. 9, Hf. 6. - S.499-526.

70. A. c. 694918 СССР. Смесь для изготовления синтерированных электродов для газоразрядных источников света / Ф.А. Бутаева, С.П. Решенов, С.Л. Рыбалов И Б.И. 1979. - № 40.

71. А.с. 680082 СССР. Электрод для газоразрядных ламп и способ его изготовления / Ф.А. Бутаева, С.П. Решенов, С .Л. Рыбалов / Б.И.- 1979.—№ 30.

72. Бутаева Ф. А., Решенов С. П., Рыбалов С. Л. Синтерированный катод в люминесцентной лампе // Светотехника. — 1978. — № 9. — С. 10-11.

73. А.с. 951478 СССР. Электрод газоразрядной лампы / А.Е. Атаев, Е.В. Охонская, С. П. Решенов и др. // Б.И. 1982. - № 30.

74. Антошкин Н.Ф., Решенов С.П. Исследование катодов различных конструкций в лампах ДРЛ и ДРИ // Физическая оптика и светотехника: Труды МЭИ. 1981. -Вып. 519. -С.133-138.

75. А.с. 957319 СССР. Электрод для газоразрядной лампы высокого давления / Н.Ф. Антошкин, С.П. Решенов, С.Л. Рыбалов и др. / Б.И. — 1982. — №30.

76. Benilov M.S., Marotta A. Ion Implantation Range and Energy Deposition Distributions // J. Phys. D. Appl.Phys. 1995. - V.28. - P. 1869.

77. Benilov M.S Sputtering by particle bombardment // Phys. Rev. E. — 1998.-V.58.-P. 6480.

78. Juttner B. Ion implantation in Semicjnductors // J. Phys. D. Appl. Phys. — 2001. -Vt 34. -P. 103.

79. Расчет теплового режима спеченных электродов в плазме газоразрядных осветительных ламп / Г.Г. Бондаренко, В.И. Кристя, В.В. Прасицкий,

80. Р.И. Хабибулин // Радиационная физика твердого тела: Труды IX межнационального совещания. Севастополь, 1999. - Т.2. - С.1113-1115.

81. Аналитическая модель катодного пятна в дуговых осветительных лампах / Г.Г. Бондаренко, В.И. Кристя, Н.В. Лищук, Р.И. Хабибулин // Радиационная физика твердого тела: Труды XIII Международного совещания. М., 2003. —С.506-510.

82. Трантер К.Д. Интегральные преобразования в математической физике. М.: ГИТТЛ, 1956. - 204с.

83. Прудников А.П., Брычков Ю.А., Марычев О.И. Интегралы и ряды. Специальные функции. — М.: Наука, 1983. — 730 с.

84. Розовский Е.И., Митин А.И., Решенов С.П. Численное решение задачи теплопроводности для цилиндрического стержня с коническим концом // ИФЖ. 1978. - Т. 4, № 4. - С. 208-209.

85. К вопросу о влиянии теплофизических параметров материалов на эрозию электродов в сильноточном разряде / В. Канцель, Т.С. Куракина, B.C. Потокин и др. // Техническая физика. 1968. -Т.6. — С.1070-1074.

86. О температурной зависимости скорости разрушения катодов в импульсных лампах / В.В. Кубышкин, В.П. Кирсанов, И.О. Думский и др. // Электронная техника. Сер. Газоразрядные приборы. 1966. - №2. — С. 55-59.

87. Пустогаров А.В., Мельников Г.Н., Колесниченко А.Н. Теплофизи-ческие свойства пористого вольфрама при температурах 1200-3200 К // Порошковая металлургия. 1974. — №11. — С.52-57.

88. Решенов С. П., Шрадер Т. Определение температурного поля полого толстостенного катода с учетом поглощения излучения в полости // Прикладная физическая оптика: Сб. трудов МЭИ. 1988. - Вып. 164. - С.122-128.

89. Vaporization of a solid surface in an ambient gas / M.S. Benilov, S. Jacobsson, A. Kaddani, S. Zahrai // J. Phys. D: Appl. Phys. 2001. - V.34. -P. 1993-1999.

90. Riedel M., Diisterhoft H., Nagel F. Investigation of tungsten cathodes activated with Ba2CaW06 // Vacuum. 2001. - V.61. - P. 169-173.

91. Влияние переосаждения распыленных атомов на динамику распределения их потока вдоль поверхности полого катода в тлеющем разряде / Г.Г. Бондаренко, О.Г. Бонк, В.И. Кристя и др. // Известия РАН. Серия физическая. 2000. - Т.64, № 4. - С.754-757.

92. Schlager W., Neiger M. A novel experimental method for in situ diagnostics of electrode workfunctions in high-pressure gas discharge lamps during operation // J.Phys.DrAppl.Phys. 2000. - V.33. - P.3083-3093.

93. Некоторые вопросы практического применения спеченных электродов в массовом производстве газоразрядных ламп высокого давления / И.Ф. Минаев, В.В. Литюшкин, А.И. Коваленко и др. // Светотехника. — 2000. — №5. — С.45-47.

94. Патент № 2158043 РФ. Спеченный электрод / В.В. Прасицкий и др.- 1998.

95. Патент № 0163247 Корея. Электрод для газоразрядной лампы / Р.И. Хабибулин и др.-2003.

96. Термоэлектронные катоды / Г.А. Кудинцева, А.И. Мельников, А.В. Морозов и др. М-Л.: Энергия, 1966. - 367с.