Уэймаус д., Газоразрядные источники света (988969), страница 32
Текст из файла (страница 32)
6-11]. Точно так же, как описано здесь, он нашел суженные температурные профили. б-з. злеитРОды Так же, как и в большинстве других газоразрядиых ламп, в ртутных лампах высокого давления используют накаленные катоды, )работающие при низком катодном падении потенциала порядка потенциала ионизации ртути, Из-за высокого давления и малой длины свободного пробега всех частиц плазмы «катодное пятно» очень мало — несколько десятых миллиметра в диаметре и даже меньше, а плотность тока в нем высокая, обычно около 10' А/см2. Прямые измерения ионного тока на катод, подобные измерениям для разрядов низкого давления, описанным в гл.
4, для разрядов высокого давления отсутствуют. Однако тот факт, что катодное падение примерно равно потенциалу ионизации )ртути и что ионизация, вызванная первичными электронами из катода, происходит очень близко от катода, наводит на мысль, что отношение ионного тока к электронному составляет, вероятно, от 20 до 30%. Тогда удельная мощность, подводимая к катоду в катодном пятне, только за счет ионной бомбардировки равна приблизительно 3 !О' Вт/см2.
Термоэмиттер типа, используемого в люминесцентных лампах, ие может рассеивать такую удельную мощность без чрезмерного роста температуры. Это объясняется тем, что теплопроводность пористого оксида между витками 169 спирали из вольфрамовой проволоки слнп(ком мала для того, чтобы отвести заметное количество тепла от катодного пятна, поэтому излучение остается единственным способом рассеяния мощности, выделяющейся на катоде от разряда. Температура, необходимая для того, чтобы излучить 3 1О' Вт(сма, явится причиной исключительно быстрого испарения оксидного материала катода. В результате геометрия используемых катодов должна зависеть от различных путей снижения работы выхода эмиттера.
Уже многие годы известно, что присутствие мономолекулярного слоя более электроположительных атомов, чем вольфрам на его поверхности, может значительно уменьшить работу выхода за счет образования электрического дипольного слоя на его поверхности. Первой обнаруженной системой такого типа был катод с пленкой тория, открытый Ленгмюром и Роджерсом в 1914 г.
1Л. 6-121. Почти в это же Иремя было открыто множество других пленочных катодов; наиболее важные из них: Сз — Ж, Сз — Π— Ж, Ва — у((, Ва — Π— % и др. Пленочные катоды имеют значительные преимушества для ртутных ламп высокого давления, так как их эмиттирующая поверхность является по существу высокотемпературным металлом с соответственно высокой теплопроводностью. Энергия, выделяющаяся на катоде в результате ионной бомбардировки, может быть отведена к другим частям катода и там Рассеяна путем излучения с приемлемым температурным перепадом. На рис. 6-11га показана обобщенная конструкция электрода ртутной лампы, состоящая из центрального стержня, вокруг которого расположен градиатор большего диаметра.
Конец стержня выступает из радиатора, и разрядное пятно «привязывается» к концу стержня. Обьщно радиатором является спи~раль из вольфрамовой проволоки, намотанной вокруг стержня, как показано на рис. 6-11,б; может применяться и сложная спираль или две спирали одна над другой. Разработчик катода имеет четыре основных независимых переменных, при помощи которых можно регулировать температуру катода: диаметр стержня; длина стержня, выступающая над спиралью; диаметр и длина спирали — радиатора.
В принципе, возможно независимое регулирование в четьйрех различных точках на катоде этими четырьмя переменными. Качество катода на- 170 ходится в сильной зависимости от его температурного поля. Разработка катода, имеющего оптимальное температурное поле, является важной проблемой, которая в настоящее время может быть решена только эмпирически. Обычно радиаторная часть катода содержит «активатор>, снабжающий активным материалом, который медленно распределяется по эмиттирующему концу вза- мен теряемого за счет испарения или распыления. Проблема конструирования катода, которая, возможно, наиболее критична в случае ториевого пленочного катода, заключается в том, чтобы отрегулировать поступление активатора так, чтобы оно в точности балансировалось со скоростью его потерь.
Первым практическим пленочным катодом для ртутных ламп высокого давления применялся ториевый пленочный катод~', хотя он использовался недолго по причинам, которые станут ясными ниже. 171 Рис. 6-11, Схематическое пзабраже. нис электрода ртутной лампы высокого давления (а); на практике радиатор обычно представляет собой спираль из вольфрамовой проиолоки. нанятой на стержень (керн) (6). У вЂ” экктткрующка конец; 2 — рцциаторг 2 — кокьфоаковая ааокоаокк; б — стеажеиь (кеукй б — выступаюшкя часть стержня; б — дуга. Рис.
6-12. Конструкпия ториепого пленочного (монослойного) катода (поперечное сечение]. ! — стержень (корки 2 -- спираль; 2 — торяевая пластинка, На рис, 6-12 показана конструкция практического воплощения ториевого катода. Торий достигает эмиттерного конца за счет диффузии по поверхности, причем диффузия резко зависит от температуры.
Увеличение скорости снабжения торием предпочтительней осуществлять за счет повышения температуры спирального Радиатора, которое может быть достигнуто путем увеличения поперечного сечения стержня (керна), укорачивания его выступающей части или уменьшения радиатора. Удаления торин с эмиттерного конца может происходить либо испарением, либо ~распылением. Для данного пленочного покрытия при высокой температуре конца электронная эмиссия велика, катодное падение меньше и распыление меньше, но скорость испарения больше. Если температура конца уменьшается, испарение уменьшается, ио эмиссия при этом также уменьшается, так что катодное падение и распыление за счет ионной бомбарди~ровки увеличиваются. Очевидно имеется оптимальная температура эмиттерного конца, при которой скорость потерь тория с него минимальна.
Температура эмнттерного конца может быть увеличена также путем уменьшения поперечного сечения стержня и увеличения его выступающей части. Таким образом, проблема двойная: установление температуры эмиттирующего конца, соответствующей минимальным потерям тория; установление такой температуры радиатора, чтобы поступление тория уравновешивало его потери. Если поступление недостаточно, то пленка торин не может быть сохранена. Электронная эмиссия эмиттирующего конца уменьшается до эмиссии чистого вольфрама, и катодное падение возрастает; усиленная ионная бомбардировка вольфрама приводит кето быстрому распылению, что вызывает почернение стенок колбы от оседающего вольфрама.
Если поступление тория чрезмерно, то торий образует на эмиттирующем конце более чем один молекулярный слой. Скорость испарения второго и следующих слоев тория с поверхности вольфрама приближается к таковой у чистого тория и намного больше, чем скорость испарения первого моно- слоя. Следовательно, избыточное поступление тория не нужно, так как он испарится так же быстро, как и поступит, что приведет к почернению степки колбы от оседающего тория.
Любой вид почернения уменьшает 172 6-13, Конструкция Оарневого пленочного (монослойного) катода (част нчно показан в разрезе). ке н; 3 — оксядиая змнссноиная от|тки спираль смесь. 3 — нкатно намотанная нне 4 — редко намотанная еиттреиняя с светопропускание значительной части поверхности колбы и соответс твенно уменьшает выход света. Необходимый контроль за р аз- д личном температур достаточно критичен, так как нормально допускае- . емы" й в производстве разброс разя- ов ов конструктивных параметр , НаиР иэделий (особенно покрыв щ р . , аи- аю ей спи али) велик, аиемя жизни ламп с ториевыми иленочн ь 50000 ч, ио ~многие лавины катодами может достигать 5 ч, н страдают от чрезмерного по зерне ния кол и станов не пригод~ньгми ранее 10000 ч.
Шд п именяются почти В настоящее время в США Р чные катоды типа Ва — О- —, конисключительно пленочные с рукция которы тор состоит из двухслойнои р спираль "мест Ред~ую " . у. пи алью, заполнязотся смесью из щел внутренней спирал ия, которая при реакции земельного металла и окиси тория, кот и ющего кочца и обраф ндирует на поверхность эмиттиру ба ия на поверхности вольфрама. а озует там пленку ари иже, чем у тота выхода барйевог о пленочного катода ниж , . О альная теми 1300 †15'С эмиссия выше. птим Алерта (АЫег() и Ратледжа ()са е ае) с по а показала, что эмиттирующая поверхность состоит из мопослоя кислорода па п овными весмесь бария и окиси бария, причем о и о. ляет ВаО.
ия оз ачна, и продукты реакции между т , с п едельно ода может надежно работать с предельйо 173 возмещения активатора без почернения колбы и потерь излучения. Кроме того, из-за низких рабочих температур должен быть применен ~радиатор ббльших размеров. Эти конструкции могут быть разработаны с большим объемом полостей так, что количество активатора, которое может быть в них укрыто, больше, чем в ториевом пленочном катоде. В результате лампы с бариевыми пленочными катодами имеют срок службы между 24000 и 30 000 ч, причем после 20 000 ч работы световой поток обычно составляет 76е7е начального значения.
Как и в случае люминесцентных ламп, здесь должны быть компромиссы в конструкции электрода, так как каждый электрод должен попеременно выполнять роль и анода и катода. Дальнейшие компромиссы должны быть найдены, поскольку электроды должны выдерживать повреждения при включении так же хорошо, как и в условиях работы. В ртутных лампах высокого давления повреждения при включении особенно тяжелы, так как лампа зажигается при низком давлении. Во время зажигания давление в лампе равно только давлению наполняющего инертного газа, обычно около З,З кПа аргона, плюс несколько десятых паскаля паров ртути.
После пробоя н возникновения дуги мощность, подводимая к лампе, достаточна, чтобы нагреть разрядную трубку до температуры, при которой вся ртуть, содержащаяся в лампе, испаряется так, что давление паров ртути достигает 0,26 МПа плюс давление аргона 3,3 кПа. Излишне говорить о том, что замедление испарения монослоев активированного катода наполняющим газом намного меньше в период после зажигания, когда лампа значительно холоднее, чем в рабочем режиме.
Поскольку нагрев лампы до полного рабочего давления может занять 6 мин, потери активного вещества могут быть значительными и восстановление активности эмиттера на конце электрода после зажигания должно происходить быстро. Ясно, что бариевый пленочный катод с его устойчивостью к предельно большой скорости возмещения активатора в рабочем Режиме имеет в этом отношении явное преимущество перед ториевым кадом., 6.4 ЗЛЖИ1 ЛНИв а) Зависимость напряжения зажигания от окружающей температуры в тутных лампах почти во всех Патронесс зажигания в рт сцентных отношениях подобен таков, у коном для люминесц ламп в схемах мгновенного г зажигания.
ост иониз ации и т тью, т эффекта Пеннннга между аргоном и рту ь нап яжение зажигания лампы зависи т ти температуры, которая о определяет давление паров р у а игания. Так в момент з ж как напряжение зажигания е Р зарядной лампы зависит т акже от у ее электродов, то . а ь более низкая работа выход бариевого пленочного като- ь 255 а дает определенное преид мущество перед ториев ым ь катодом. Рисунок 6-14 по- р казывает зависимость на- ~~ зажигания от ок- ~ь Ужающей температуры у уул,пагад ага»таеуаатура, для ториевого и бариев г ружаю оо 'С Р 6-14 3 ве мосте ввп я.
амп мощностью 400 Вт [Л. 6-16). Рпс. 6- . лвп в Балласты Ртутных ламп щей температуры ллп обычных «моподолжны обеспечивать поста- горяевых пленочных посто- слезных» и барпевыд пленочточное напряжение холосто- ~лпп~ы~» го хода для зажигания ламп пж 1«попо~~~о при наихудших условиях, ко- ртут"ы" о а — борвевыв торые мог,т встретиться при катод. эксплуатации. Поскольку наибольшее применение такие лампы находят дл у я личного осве е в зимнее время й Аме ике после захода солнца в о пе ат а может быть ниже 0 С, наверняка где-либо температур може — я в 1960 г бариевого катода — 29'С. После изобретения в г. д ля ртутной лампы высокого д го авления конст и овать балласты с су щестлась возможность конструир о хода для тех ап яжениями холостого венно меньшими на р тоимостью, что б с более низкой ст является дальнейшим преимуществом арне В настоящее время существует множество балластов, которые не обеспечивают зажигание ламп с ториевыми пленочными катодами при холодной погоде, поэтому такие лампы больше не выпускаютсв.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
