На долю современных разрядных источников света в экономически развитых странах мира, приходится более 80% вырабатываемого светового потока, в будущем эта доля будет возрастать.
Принято считать, что приэлектродные области разрядных источников света i определённым образом влияют на оптические и электрические характеристики газового разряда.
При зажигании разрядных источников света было отмечено, что процесс перехода из тлеющего в стационарный дуговой разряд проходит через состояние с быстро перемещающимися светящимися пятнами, характерными для-«холодного катода» [1]. Однако, механизм-этого явления, применительно к катодной области разрядных источников света, не рассматривался.
Известно, что подобные пятна на «холодных» катодах наблюдались как в условиях вакуума, так и в газовом разряде [2,3]. В [2] указывается, что плот.
1 О ность эмиссионного тока в этих пятнах чрезвычайно высока (10−10 А/см),. однако механизм явления не раскрывается. Подобные плотности токов эмиссии наблюдались в [4−11]. Для’объяснения авторами был предложен механизм взрывной электронной эмиссии (ВЭЭ).
Как самостоятельный вид эмиссии, ВЭЭ, выделена относительно недавно [12], и до сих не имеет окончательной физической интерпретации. Экспериментальный факт состоит в том, что интенсивная эмиссия электронов возникает в результате взрывного перехода локальных микроскопических участков катода в плотную плазму при их перегрузке собственным автоэмиссионным током. Интенсивность процесса ВЭЭ на порядки превосходит интенсивность эмиссии наиболее эффективных термокатодов. Этот факт стал основой того, что на базе ВЭЭ возникло новое научно-техническое направление, связанное с получением сильноточных электронных пучков — сильноточная эмиссионная электроника [11].
Взрывная электронная эмиссия происходит при высоких напряжённостях электрического поля (Е ~ 105 В/см). Такие условия реализуются в газоразрядных приборах, в том числе в разрядных источниках света при их зажигании, в газоразрядных стартёрах при генерировании высоковольтного импульса. При зажигании разрядных источников света резко изменяется проводимость прика-тодной области и всего газоразрядного промежутка. Можно, предположить, что одним из физических явлений, существенно влияющим на-электропроводность, прикатодной области разрядных источников света, является ВЭЭ.
Механизмы изменения проводимости прианодной области в источниках света, сопровождаемые возникновением импульсов излучения, также слабо исследованы. Модуляция излучения и проводимости в этойобласти проявляется в периодическом возникновении световых импульсов, изменении анодного падения напряженияпри этом амплитуда колебаний анодного падения, достигает' величин, равных потенциалу ионизации наполняющего лампу газа [13]. Однако, влияние состава и давления газового наполнения, а также влияние конструктивных параметров анода на процесс модуляции излучения и проводимости исследованы недостаточно. Актуальность изучения процессов генерирования импульсного излучения, возникающего в прианодной области, определяется возможностью использования этого явления при разработке импульсных источников света.
Модуляция проводимости прианодной области разряда в люминесцентных лампах (JIJI), работающих на переменном токе, оказывает влияние на оптические и электрические характеристики катодного пятна (КИ). При возникновении анодных колебаний, тепловое излучение области КП в анодный полупериод уменьшается, изменяется характер свечения и доля ионного тока приходящего в КП в катодный полупериод. Однако связь этих характеристик с эксплуатационными параметрами разрядных источников света не учитывалась.
Актуальность проведенных исследований определяется важностью полученной информации о процессах модуляции излучения и проводимости при-электродных областей в разрядных источниках света, что необходимо для улучшения их рабочих характеристик.
Цель работы и основные задачи.
Целью диссертационной работы является исследование модуляции излучения и проводимости приэлектродной области в разрядных источниках света, включающее в себя исследование условий возникновения взрывной электронной эмиссии на катоде, характеристик модуляции излучения и проводимости прианодной области, их влиянию на эксплуатационные характеристики разрядных источников света, а также спектроскопическое исследование приэлектродной плазмы.
Были поставлены следующие научно-технические задачи:
1. Создать установку для измерения электрических, и оптических характеристик приэлектродной области разрядных источников света.
2. Экспериментально исследовать оптические и электрические характеристики взрывной электронной эмиссии в разрядных источниках света.
3. Провести исследование спектральных характеристик приэлектродной области разряда в процессе зажигания и стационарного горения в разрядных источниках света.
4. Исследовать зависимость оптического излучения в прианодной области и анодного падения напряжения от конструкции анода, состава газового наполнения и электрических характеристик разряда.
5. Обосновать теоретически и предложить методику регистрации изменений температуры электрода с использованием его излучения в инфракрасной (ИК) области спектра.
6. Обосновать возможность и предложить конструкции пускорегулирующих устройств, для ламп высокого и низкого давления, работающих на постоянном токе и при холодном зажигании обеспечивающих продолжительный срок службы.
Объект и методы исследования.
Основным объектом исследования являются разрядные источники света, их электроды и приэлектродная плазма.
Для исследования оптических и электрических характеристик электродов и приэлектродной плазмы использовались различные методы:
1. Спектральный метод регистрации быстропротекающих процессов в приэлектродной плазме.
2. Зондовый метод для измерения потенциала плазмы, а также для измерения скорости распыления эмиссионного покрытия катода.
3. Фотоэлектрический метод измерения приращения температуры электрода, в различных его областях, по ИК излучению.
Научная новизна:
1. Впервые показано, что в процессе «холодного» зажигания разрядных источников света реализуется механизм взрывной электронной эмиссии (ВЭЭ).
2. Установлено, что местом локализации импульсов оптического излучения при анодных колебаниях в люминесцентных лампах является область между стенкой колбы и сетевым вводом.
3. Впервые показано, что при возникновении анодных колебаний тепловое излучение с поверхности анода уменьшается.
4. Предложен механизм, объясняющий развитие пробоев и возникновение излучения в прианодной области для разряда в смеси аргона со ртутью для давлений, характерных для люминесцентных ламп. 5. Предложен способ вычисления теплоёмкости области катодного пятна в разрядных источниках света, работающих на переменном токе по его тепловому излучению.
6 г Предложен способ вычисления изменения ионной составляющей тока на катоде, при работе разрядного источника света на переменном токе, используя распределение ИК излучения по периоду.
Практическая ценность.
1. Разработаны установкидля измерения электрических, спектральных, температурных характеристик разрядных источников света.
2. Предложенный метод динамических температурных характеристик, основанный на регистрации теплового излучения, позволяет оптимизировать конструкцию электродов разрядных источников света.
3. Результаты работы позволяют рекомендовать для применения в JIJI малогабаритные синтерированные катоды.
4. Предложен источник частотно-модулированного импульсного излучения, возникающего при модуляции проводимости прианодной области.
5. Предложен способ повышения срока службы люминесцентных ламп при «холодных» зажиганиях, заключающийся в том, чтобы перед отключением лампа работала в стационарном режиме не менее 15−20мин.
6. Определены конструкции пускорегулирующих устройств для ламп высокого и низкого давления, работающих на постоянном токе и при холодном зажигании обеспечивающих продолжительный срок службы.
Основные научные положения и результаты выносимые на защиту.
1. Установлено, что возникающие в процессе «холодного» зажигания разрядных источников света светящиеся пятна на катоде, возникают благодаря взрывной электронной эмиссии. Спектральные характеристики излучения при этом определяются материалом катода. Минимальный ток ВЭЭ зависит от конструкции ламп, эмиссионного вещества электродов, а также от состава газового наполнения.
2. Распределение излучения ртути вдоль анода JIJT указывает на то, что при наличии анодных колебаний ток притекает на анод в основном со стороны стенки лампы ближней к сетевому вводу. Анодное падение в JIJI не* превышает потенциала ионизации ртути и существенно не меняется' при уменьшении площади анода до 25 мм² и его увеличении до диаметра газоразрядной трубки. При возникновении анодных колебаний-тепловое излучение анода уменьшается. Частота импульсов света, генерируемого в при-анодной области, растёт при увеличении силы тока.
3. Излучение приэлектродной области в разрядных источниках света модулируется как протекающим током, так и магнитным полем. Исследование модуляции излучения в широкой области спектра позволяет раскрыть физические основы работы электродов разрядных источников света — механизмы переноса вещества эмиттера, механизмы электронной эмиссии.
4. Получены расчетные формулы для описания ИК сигнала, генерируемого электродом JIJI, это позволяет определить изменения температуры, доли ионного тока, значение теплоёмкости катодного пятна.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Межрегиональной научной школе для студентов и аспирантов, «Материалы нано-, микро-, и оптоэлектроники: физические свойства и применение», Саранск, 2005;2007; X научной конференции молодых учёных, аспирантов и студентов МГУ им. Н. П. Огарёва, «Естественные и, технические науки», Саранск, 2005; VI Международной Светотехнической конференции, Калининград — Светлогорск,.
2006; IV Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики», Саранск, 2006; V Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики полупроводников и источников света», Саранск, 2007, V Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики», Саранск, 2007.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, включающих 2 патента, а также статьи в отечественных журналах, сборниках трудов конференций и совещаний (3 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАКом).
Объём работы.
Диссертационная работа состоит их введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Объём диссертации 145 страниц, включающих 63 рисунка и 6 таблиц.
Список литературы
содержит 117 наименований.
1 .АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ КАСАЮЩИХСЯ ОПТИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В ПРИЭЛЕКТРОДНЫХ ОБЛАСТЯХ РАЗРЯДНЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА. t.
В основной массе газоразрядных источников света используется дуговой разряд [13−19], так как в этом случае катодное падение напряжения* может быть весьма малым, его роль в балансе энергии лампы становится незначительной. Лампы дугового разряда могут быть выполнены на стандартные рабочие напряжения. В дуговом разряде при небольших и средних плотностях тока и невысоких давлениях свечение катода, не имеет практического значения и источником излучения в основном является положительный столб. Это особенно-ярко проявляется в люминесцентных лампах (ЛЛ). При повышении давления наполняющего газа или паров металла прикатодная область постепенно сокращается и при, так называемых, высоких давлениях (более 3−104 Па) [15] для дуговых ртутных ламп (ДРЛ), натриевых ламп высокого давления (ДНаТ), металлогалогенных ламп (МГЛ) составляет доли миллиметра. Это позволяет получить высокие параметры излучения при малых расстояниях, между электродами. При сверхвысоких давлениях (более 10б Па) высокие значения световой отдачи получают при очень малых расстояниях между электродами, при этом с уменьшением расстояния между электродами значительно увеличивается яркость шнура разряда. С ростом давления и плотности тока образуется изотермическая плазма, в излучении которой преобладают нерезонансные спектральные линии.
Как отмечалось в [20] электроды являются жизненно важными элементами разрядных источников света. Они обеспечивают существование разряда в заданных условиях, надёжность его зажигания и срок службы лампы.
Интенсивные процессы взаимодействия электродов с плазмой и их разрушение, происходят при нестационарных режимах, связанных с формированием приэлектродных частей разряда и изменением теплового режима на электродах. К таким условиям относятся процессы зажигания самостоятельного разряда, переходы разряда из одной формы в другую, перезажигания разряда на переменном токе [21]. Изменение условий работы электродов происходит достаточно динамично в дуговых ртутных разрядах высокого и низкого давления [22].
Разрядные источники излучения работают как на переменном, так и на постоянном токе. На постоянном токе функции катода и анода разделены, на переменном токе каждый электрод выполняет функции и катода и анода.
В.подводящих проводах и в материале электрода весь ток переносится электронами. Чтобы попасть в плазму, электроны должны выйти из катода, преодолев потенциальный барьер. На границе с плазмой электронный ток, протекающий в веществе катода, уравнивается суммарным током ионов и электронов в прикатодной области плазмы. На другом конце разрядного промежутка — в прианодной области электронный ток притягивается к границе анодной оболочки как за счет диффузии, благодаря наличию градиента концентраций, так и за счет электрических полей.
1.1.0птичеекие и электрические явления на катоде и в прикатодной области разрядных источников света.
При рабочей температуре катод имеет определенную термоэлектронную эмиссию при нулевом электрическом поле. Эта способность эмиттировать электроны усиливается (от 2 до 100 раз) под действием ускоряющих полей на поверхности катода [23]. Это ускоряющее поле создается ионным пространственным зарядом в катодной оболочке и, следовательно, увеличивается при наличии ионного тока на катод.
Ионы, достигающие катода, образуются в области отрицательного свечения электронами, ускоренными катодным падением (оно создается на катодной пленке) и «инжектируемыми» в отрицательное свечение с энергией, приблизительно равной полному катодному падению. Ионы, образованные в области отрицательного свечения, в свою очередь отличаются по энергии от электронов, ускоренных катодным падением. Ионы, достигающие катода, бомбардируют его с почти полной энергией катодного падения. Энергия, подводимая ионами к катоду, занимает большую долю в балансе энергии катода, и, следовательно, эта энергия является-определяющей температуру катода.
Таким образом, основной определяющей ролью катодного падения и температуры катода является создание суммарного общего тока, состоящего из эмиссионного электронного тока (термоэлектронная эмиссия при температуре Тк увеличенная .за счет ускоряющего поля, создаваемого положительными ионами) и ионного тока.
При горении стационарного дугового разряда в разрядных источниках света основная масса электронов выбивается из катодного пятна катода! [15,24]. Визуально катодное пятно представляет собой светящуюся точку, с которой начинается светящаяся катодная часть разряда. Катодных пятен может быть несколько. Катодное пятно на самокалящихся катодах расположено на небольшой части их поверхности и перемещается по ней по мере расходования оксида. При высоких плотностях тока это приводит к высоким местным тепловым нагрузкам материала катода. Так как для снижения катодного падения при дуговом разряде приходится применять сложные катоды, то обеспечение возможности работы, их при таких нагрузках требует применения специальных конструкторских решений. Катоды дуговых ламп весьма разнообразны по конструкции и могут быть разделены на катоды ламп низкого, высокого и сверхвысокого давления.
Выводы по главе 5.
1. Показано, что тепловое излучение зоны КП определяется не только энергией, разогревающей КП в катодный полупериод, но и энергией, выделившейся в этой области в анодный полупериод.
2. Исследовано распределение теплового излучения КП ЛЛ работающих на переменном токе при наличии анодных колебаний и без них. По данным фотоэлектрических измерений при наличии анодных колебаний интенсивность теплового излучения зоны КП в анодный полупериод уменьшалась, а в катодный полупериод возрастала.
3. Разработан метод динамических температурных характеристик, предложена формула для вычисления приращения температуры КП JTJT, работающих на переменном токе, по его тепловому излучению, при скоростях изменения температуры до dT/dt~ 105 К/с. Проведены исследования модуляции теплового излучения при протекании через лампу переменного тока.
4. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность определения теплоемкости КП по данным измерений динамики теплового излучения, вычислена теплоемкость катодного пятна и других участков электрода в люминесцентной лампе. Для катода лампы ЛБ-20, теплоемкость катодного пятна Ск= 7,3−10″ 5 Дж/К.
5. Данные о теплоемкости катодного пятна, совместно с динамическими температурными характеристиками, позволили определить изменение доли ионного тока в КП в зависимости от тока через ЛЛ, от конструкции и теплового режима электрода. Показано, что в течение одного катодного полупериода, даже при одинаковом мгновенном значении тока • через лампу, доля ионного тока уменьшается на 1/3 во второй половине полупериода, по сравнению с первой.
6. Показано, что при возникновении анодных колебаний излучения и проводимости, в ЛЛ работающей на переменном токе, доля ионного тока в катодный полупериод увеличивается на ¼ часть от случая, когда анодные колебания отсутствовали.
Заключение
.
В заключение диссертационной работы можно сделать, следующие выво.
Взрывные процессы на катоде разрядных источников света приводят к инициированию неустойчивостейпроявляющихся^в модуляциишзлучения и электропроводности приэлектродной области.
Минимальный ток возникновения ВЭЭ зависит от материала4: катода, эмиссионного вещества, а также от наполнения источников > света, и изменяется в диапазоне от 0,2 до4А.
Спектроскопические исследованияпозволили: выявить механизм’появления бария на неоксидированной-части электрода — напыление из области КП-в стационарном рабочем режиме.
Частота импульсов света, генерируемогов прианодной: области, увеличивается при увеличении силы тока, что позволяет модулировать их частоту. Область генерации импульсов расположена вблизи сетевого ввода со стороны стенки лампы. Анодное падение существенно не меняется при уменьшении. площади анода вплоть до:25 мм и его увеличении до диаметра газоразрядной трубки.
Разработан метод динамических температурных характеристик, предложена формула длявычисления приращения температуры КП JIJI работающих на переменном токе по его тепловому излучению? при скоростях изменения температуры до dT/dt-Ю5 К/с.
По данным измерений' в ИК области спектра показано* что в. люминесцентной лампе, работающей непеременном токе, доляионного тока, приходящего в область. КПне постоянна. В течение каждого катодного полупериода, даже при одинаковом мгновенном значении тока через лампу, доля ионного тока уменьшается во второй половине полупериода на 1/3. При возникновении анодных колебаний в ЛЛ работающей на переменном токе, доля ионного тока в катодный полупериод увеличивается на ¼ часть от случая, когда анодные колебания отсутствовали.
7. Предложены и защищены патентом пускорегулирующие устройства для питания разрядных ламп высокого и низкого давления выпрямленным током. Разработанные устройства, обеспечивают мгновенное зажигание ламп и малую пульсаций светового потока.
Настоящая работа была выполнена на кафедре экспериментальной физики Института физики и химии ГОУВПО «Мордовский государственного университета имени Н.П.Огарёва» под руководством доктора физико-математических наук, профессора В. А. Горюнова. Приношу ему свою глубокую благодарность и признательность за ценные советы и повседневную помощь, которые способствовали выполнению этой работы.
