Уэймаус д., Газоразрядные источники света (988969), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Значительно более высокая коммерческая активность по необходимости стимулировала потребность в улучшении ламп и побулила к созданию значительно более широкой программы разработок. В Европе был лостигнут значительный прогресс в усовершенствовании ламп, Главное усовершенствование было в увеличении длины луги, что позволило уменьшить долю потерь мощности около электродов. В некоторых разработках это привело к созданию длинных трубчатых ламп (7-образной формы [Л. 7-5), 188 иоп (о ааааа па гпа гпаап 187 Значительные усовершенствования были сделаны в области уменьшения тепловых потерь. Разрядная трубка теряет тепло двумя путями; путем теплопроводности и конвекции газа и излучением. Потери через газ исключаются путем удаления газа, лампы работают внутри герметически запаянной вакуумной рубашки.
Потери за счет излучения были уменьшены при помощи селективно отражающих фильтров. При 2Ю'С (533 К) максимум и Ое оо пв! г о В гозгьтч Рис. 7-8. Козффипиеит отражеивя плевки окиси олова (8пОз) и окиси индия ()пзОз) в зависимости от длины волям. излучения черного тела лежит прп 5500 нм, для этой длины волны стекло само очень близко к черному телу. Охлаждение разрядной трубки путем излучения очень эффективно нагревает стенки внешней рубашки. Разрядная трубка является хорошим излучателем, а внешняя рубашка хорошо поглощает.
Положение может быть значительно улучшено при нанесении на внутреннюю стенку внешней колбы пленки, которая отражает инфракрасное излучение обратно на разрядную трубку, но пропускает желтое резонансное излучение. На рис. 7-3 показана кривая коэффициента спектрального отражения для двух подобных отражателей: тонкой пленки окнси олова ЯпОт и окиси индия (1птОз) (Л. 7-61.
При отражении энергии излучения обратно на разрядную трубку каждая из этих пленок, нанесенная на внутреннюю стенку внешней рубашки, уменьшает потери на излучение разрядной трубки и 186 соответственно уменьшает мощность лампы, кбторая должна быть рассеяна в виде тепла для того, чтобы разрядная трубка нагрелась до данной температуры. Поэтому лампа может работать либо с ббльшим энергетическим к, п.
д., либо потреблять меньшую мощность для обеспечения требуемой температуры стенки. Конечно, есть еще один путь получения большего энергетического к. и. д, — это уменьшение давления неона. лм лег/о г воопа гоп о ппп гаоп п поп упав и г а) и) Рис. 7-4. Световой поток (а) и световая отдача (б) даииой 1)-образной иатриевой лампы низкого давлеиия при разиых условиях теплоизоляции. Во всех случаях лампа работает при подводимой мощности, соответствующей максимальной светоотдаче. На рис.
7-4,а и б показаны результаты, опубликованные Эленбаасом, Ван Вуртом и Сниссенсом (Л. 7-51, относительно выхода и эффективности в зависимости от подводимой мощности для серии ламп, наполненных 0,53 кПа неона плюс ! % аргона при различных схемах теплоизоляции. Лампы с конфигурацией 5 в настоящее время находятся в продаже '". Другой подход к проблеме достижения более высокого энергетического к.
и. д. в разрядной трубке — это ч Главное производство итого типа ламп сосредоточено иа фирме «Филипса (чр)нцрз»). использование трубок с некруглым поперечнь(м сечением [Л 7-71. Эффективная продолжительность жизни резонансного излучения натрия явно неудачна по сравнению со ртутью, так как фактически натрий имеет только один изотоп вместо пяти у ртути. Более легкие атомы и более высокая температура в случае натрия дают уширение линий, которое частично компенсирует этот недостаток. Однако при давлении в 0,8 Па и внутреннем диаметре 3,6 ом формула Холстейпа дает для эффективной продолжитсльности жизни ртути 16,6 и 40 ьмкс для натрия, поэтому не кружалов сечение сопровождающееся уменьшением эффективной продолжительности жизни даже более выгодно в случае натриеных ламп, чем в случае люминесцептных.
Использование разрядной чення использованного в трубки с поперечным сечением, натриевых лампах не- показанны~м на рис. 7-5«вместе круглого сечения. с оксидным отражающим покры- тием на внешней колбе, позволяет достичь световой отдачи в 140 — 150 лм/Вт при 140 Вт подводимой мощности, в то время как давление неона остается относительно высоким-- около 2,7 кПа.
Дополнительным фактором, важным для патрнсвых ламп низкого давления, является ионная откачка натрия к стенкам трубки. Ионы натрия днффундируют к стенкам за счет амбиполярной диффузии; ионный ток натрия к стенкам довольно просто определяется градиентом концентрации ионов у стенок, умноженным на коэффициент амбиполярной диффузии, который равен )ь«йТ,) е, где Т,— электронная температура. Нейтральные атомы диффундируют обратно к центру разрядной трубки со скоростью, определяемой градиентом концентрации атомов у стенок, умноженным на коэффициент диффузии атомов, который может быть выражен как р«7еТ«/е.
Подвижности сравнимы, ио температура газа Т, намного меньше температуры электронов; в случае натриевой лампы Т,(Т«~10. Поэтому градиент концентрации ато- «Выпускаются фирмой «Торн Ляйтинг» («Тьогп Ь1ййипя, 1.Ы»). (вн мов у стенок должен быть в 10 раз больше градиента концентрации ионов. Преполагая простую параболиче- скую аппроксимацию для распределения ионов и атомов, как показано на рпс. 7-6, можно записать; пг = а,, (1 — «'Я'); л, = — а„— а', (1 — «'Я'), (7-1) где им — концентрация ионов на оси; ао, — концентрация атомов у стенки; и'в — уменьшение концентрации атомов на оси.
ас Рис. 7-6 Радиальное распределение плотности атомов и ионов натрия. Атомы иовизируются и ионы за счет амбнполяриой диффузии «откачнваютея» к стенкам, а обратно должны диффунднровать в виде нейтральных атомов, что является значительно более медленным процессом, поэтому при большой концентрации ионов концентрация нейтральных атомов около оси дуги резко истощается. «7« г ле В стационарном состоянии диффузионный ток ионов к стенке должен быть равен противоположному по направлению диффузионному потоку атомов к центру.
Если р; =)ь„тогда (7-2) и» 1вр лм Т«' > Следовательно, спад концентрации атомов к оси в 1О раз больше, чем спадконцентрации ионов к стенкам. Для концентрации ионов, составляющей бо7о концентрации атомов натрия у стенок, спад концентрации атомов у оси достигает 50о7о. Вследствие относительно более высокой удельной мощности, при которой должны работать натриевые лампы, по сравнению с люминесцентными лампами кон- центрация электронов существенно выше и легко может достигать 50а/е или больше концентрации атомов натрия у стенок. Поэтому при нормальных условиях наблюдается значительное истощение концентрации атомов натрия у оси разряда, Таким образом. резонансное излучение натрия может возникать только там, где находятся пары атомов натрия, т. е.
вблизи стенок. Наличие этого эффекта, называемого «эффектом радиальной откачки»,делает некруглое поперечное сечение с его значительно большей поверхностью на единицу длины, показанное на рис. 7-5, даже более выгодным, Существование этого эффекта радиальной откачки было описано в [Л. 7-8, 7-9). Электроды, используемые в современных натриевых лампах, представляют собой типичные оксидные катоды, подобные применяемым в люминесцентных лампах.
Относительно высокое давление инертного газа создает все преимущества для увеличения срока службы электродов, как это было обсуждено в гл. 4. С другой стороны, наряду с недостатками, свойственными люминесцентным лампам (потеря катодпого эмиссионного материала, трудное зажигание и т. д.), натриевые лампы заимствуют еще один от ртутных ламп высокого давления — электролиз.
Катоднос падение потенциала в этом типе разрядных ламп значительно больше, чем анодное, поэтому средний потенциал плазмы положителен вблизи электродов при работе лампы на переменном токе. Если имеется избыток натрия в местах заштамповки и он находится в достаточно хорошем контакте с плазмой, то достигая потенциала, вполне совпадающего с таковым у плазмы, являющимся положительным по сравнению с подводками электрода, создаются идеальные условия для существования электролиза: горячее стекло, потенциал постоянного знака и источник, поставляющий ионы натрия у положительного электрода, поэтому натрий вызывает электролиз стекла, начиная от поверхности лопаточки до впая и зеркализует ее, ведя к растрескиванию впая. Устранение этой проблемы включает: а) предотвращение контакта плазмы со стеклом вокруг ввода при помощи керамического изолятора и б) создание таких условий, при которых лопаточка постоянно была бы горячее, чем остальная трубка„так чтобы натрий не мог там коиденсироваться.
!90 7-3. НАГРИЕВАЯ ЛАМПА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ Если бы излучательные характеристики паров натрия были такие жс как у ртути, можно было бы предложить, что раз давление паров натрия в газоразрядной лампе увеличено, то увеличивающееся самопоглощение излучения резонансных линий натрия привело бы;к фактическому исчезновению линий 589,0 и 589,6 нм из спектра излучения и к преобладанию других линий. Однако в случае натрия обнаруживается ряд процессов, сильно уширяющих резонансные линии и приводящих к огром- а(гз,д) "а( 1'1г ~уг) иа (гз,д] иа!гьд] 1 Рассягсяяие мсмсиу ядрами, ям ному уменьшению коэффициента поглощения для любой длины волны, поэтому интегральная плотность излучения разряда натрия высокого давления прн резонансных переходах остается высокой, но она распределяется на широкую полосу длин волн.
Основными механизмами уширения, действующим в этом случае, являются допплеровское ушнрение (вызываемое тепловым движением атомов натрия), ударное уширение (вызываемое столкновениями между излучающими атомами и любыми другими разновидностями частиц в плазме) и наиболее важное ушнренне — в результате молекулярного взаимодействия, так называемые полосы сателлитов аз. На рис. 7-7 схематически показано поведение энергетических уровней '9„„ нулевого состояния и аР первого возбужденного состояния двух атомов натрия в зависимости от расстояния между ядрами.
Ясно, что молекула ]ч]аг существует, если оба атома находятся в нулевом состоянии с энергией связи 1,!7 1О-" Дж (0,73 эВ). !э! Рис. 7-7. Схематическое к иредсгавление энергетических уровней двух ато- й моз натрия з зависимости ог расстояния между ядрами. Глубана потел. .а ного состояния молеку. лы ]Чая (0,73 эВ) соот. ветствуег известной энергии связи этой молекулы. Подобные данные неизвестны для ]Ча'г, и приведенная кривая является чистым предположением, основанным на повелении линий натрия, угаиряююихся и красную сторону при высоких давлениях. В литературе нет упоминания о возбужденной молекуле г'аез, но поведение линий натрия при высоких давлениях показывает, что она или имеет большую энергию связи, или минимум кривой потенциальной энергии находится при ббльщих межатомных расстояниях, таких что до точки минимума разница энергий между возбужденным и невозбужденным состоянием уменьшается по мере умень- щения межатомного расстояния *, поэтому, когда возбужденный атом натрия излучает в присутствии находящегося в нескольких ангстрсмах атома натрия, то энергия испущенпого фотона заметно меньше, чем испущенного изолированным атомом.
Возмущающее действие соседних атомов натрия на излучение резонансной линии заключается в ее смещении по длине волны в красную область в той мере, которая зависит от того, насколько близко находятся два атома. Чем выше давление пара натрия, тем вероятнее, что поблизости от излучающего атома натрия в момент, когда он излучает, в пределах нескольких ангстрем будет находиться другой атом натрия. Поэтому чем выше давление, тем дальше в красную область должна быть смещена резонансная линия излучения натрия. На рис. 7-8 показано поведение резонансной линии натрия при увеличении давления пара натрия в разряде 1Л, 7-101. Обычный процесс самопоглощения ответствен за значительное уменьшение излучения в центре линий 589 — 589,6 нм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
