Уэймаус д., Газоразрядные источники света (988969), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Пунктирные линии показывают отдельно потенциал раз'ряда и сопротивления, сплошная линия показывает потенциал при их последовательном соединении. Вновь требуется напряжение зажигания ()е для создания ионизацни. После приложении напряжения зажигания и возникновения ионнзации рабочая точка (г', ()) разряда находится в области, где с(п,)Ж>0, и разрядный ток увеличивается, пока рабочая точка не достигнет точки (р, (г',. Дальнейшее увеличение тока сдвинет рабочую точку в область, где г(п,/Ж меньше нуля, и, следовательно, ток будет стремиться уменьшаться до значения (р.
Причина этого лежит в том, что увеличение тока выше (о увеличивает падение потенциала на сопротивлении, таким образом, уменьшая падение потенциала на разрядной трубке, а значит и электронную температуру и скорость ионизации. Скорость образования электронов тогда станет меньше скорости их исчезновения, и концентрация электронов уменьшится, уменьшая ток до (о. Довольно просто показать, что временное уменьшение тока имеет противоположныи эффект; рабочая точка (р, (г', пары сопротивление в разряд устойчива при любых отклонениях. Сопротивление, которое стабилизирует протекание тока через разряд, называется «балластом».
В гл. 12 рассмотрим цепи балластов более подробно. Разработка высокоинтенсивных ламп Успешное применение люминесцентных ламп для освещения в !940 г. сделало экономически возможным поднять, начиная с 1950 г. уровни освещения во многих установках, что облегчило выполнение работ, требующих точного зрительного восприятия. Вообще при таком увеличении уровня освещения может быть получен хороший экономический эффект: общее увеличение к. п, д. более чем оправдывает возросшую стоимость осветительных установок.
К !952 г., однако, стало очевидно, что световой поток стандартных ламп диаметром 38 мм, работаюших при токе 425 мА, был слишком мал, чтобы достигнуть уровней освещенности, которые считались тогда нсобходимыми. Требовалось слишком много ламп и светильников. Уменьшение к. п. д. с увеличением тока люминесцентиой лампы в это время было уже хорошо известно, хотя причины этого не были еще ясны. Поэтому первым шагом в развитии ламп с повышенной удельной нагрузкой было увеличение тока до 800 мА.
Чтобы скомпенсировать потерю к. п. д., которая была неизбежна, давление газа было уменьшено с 325 Па (2,5 мм рт. ст.) до 170 Па (1,3 мм рт. ст.) н аргон был заменен на аргонокриптоновую смесь, чтобы уменьшить потерю энергии при упругих соударениях [Л.
2-2!. Из-за более низкого давления инертного газа эти лампы имели меньшую напряженность продольного электрического поля и поэтому более низкое обгцее падение потенциала, несмотря на почти вдвое больший разрядный ток, удельная нагрузка была увеличена только с 0,3 до 0,4 Вт/см. Кроме того, не было сделано попытки скомпенсировать повышение давления ртути, которое теперь несколько возросло из-за увеличенной мощности.
Тем не менее лампа длиной 243,8 см типа НО (с высокой отдачей), имеющая мощность !00 Вт и ток 800 мА, создавала поток 7200 лм по сравнению с 5600 лм, даваемым лампой длиной 243,8 см, мощностью 75 Вт при токе 425 мА. Такие лампы еще находят широкое применение в промышленности. Возможно, наиболее важным был однако тот факт, что эта проблема стимулировала работу ряда ламповых лабораторий по разрешению вопроса: каковы должны быть осповпыс рабочие размеры ламп и что можно сделать на этот счет? Эти усилия, направленные в основном на качественное понимание физических процессов в люминесцентных лампах, привели к разработке математической модели столба разряда, рассмотренной в гл.
5. Вопрос был разрешен: глубокое понимание важных процессов в плазме разряда дало возможность найти основную причину уменьшения к. и. д. с увеличением мощности и хотя бы в некоторой степени указало путь ее преодоления. Уменьшение выхода УФ излучения с увеличением тока (и мощности), показанное на рнс. 2-7, было объясне- 40 ио «насыщением» УФ излУчениЯ, котоРое в свою очеРедь обьясняется приближением заселенности резонансного уровня ртути "'Р, к ЛТР.
Поэтому, чтобы увеличить выход УФ, необходимо увеличить концентрацию насыщения путем повышения электронной температуры, для этого необходимо повысить скорости исчезновения электронов и ионов на стенках, при этом скорость образования новых ионов и электронов должна возрасти, что может быть выполнено при более высокой электронной температуре. Существуют три пути увеличения скорости диффузионных потерь электронов: уменьшение диаметра трубки; уменьшение давления инертного газа; применение инертных газов с большим коэффициентом диффузии ионов и электронов. Все три метода были использованы теми или иными изготовителями ламп.
Рассмотрим их. Простое уменьшение диаметра круглой цилиндрической трубки не представляется особенно выгодным вариантом. Хотя это и увеличивает электронную температуру, оно также увеличивает и плотность тока, даже если общий ток не увеличивается. Напомним, что объяснение рис. 2-7, касающееся приближения к ЛТР, включало увеличение числа электронных соударений за счет увеличения концентрации электронов (которая пропорциональна плотности тока). Поэтому прямое уменьшение диаметра трубки сдвигает рабочую точку дальше к насыщению при ЛТР при том же токе, поэтому задача состоит в увеличении тока. Однако нет законов, которые позволили бы сказать,' что люминесцентные лампы должны быть круглыми в поперечном сечении.
Рассмотрим прямоугольное сечение (рис. 2-10), стороны которого относятся, как 3:1. В этом случае диффузионные потери электронов и ионов на близлежащих стенках играют большую роль, а площадь поперечного сечения почти не изменяется. Значения чь данные для двух поперечных сечений, представляют собой скорости диффузионных потерь в расчете на один электрон, полученные путем решения уравнения амбиполярной диффузии для двух различных геометрий сечения.
Коэффициент амбиполярной диффузии О, приблизительно равен рчйТ,(е, где ра — подвижность иона в газе, наполняющем трубку. Значения коэффициента амбиполярной диффузии даны в приложении А. Читатель, желающий более полно познакомиться с явлением я-я Иззяб ! -4 о й!у2 амбиполярной диффузии, может это сделать по !Л.
2-!01. Показанное прямоугольное сечение с соотношением сторон 3: 1 имеет обшую скорость диффузионных потерь в 1,9 раз больше, чем круглое сечение при приблизительно одинаковой площади поперечного сечения. Скорость потерь ионов и электронов может быть еще больше увеличена за счет уменьшения давления наполняюц1его аргона, так что основное увеличение скорости ионизационных потерь, и следовательно, и электронной температуры может быть достигнуто без ущерба, который принесло бы увеличение плотности тока. Рнс. 2-!О.
К соотношениям между требуемой скоростью ионизапии н площадью поперечного сечения для круглых н прямоугольных колб. Однако прямоугольное сечение (рис. 2-10) непрактично с точки зрения производства ламп. Стенки такой тру ки до б олжны быть достаточно толстыми, чтобы протии лизивостоять действию атмосферного давления. Приб тельная форма сечения, применяемая иа практике, показана на рис. 2-!1. Это прямоугольник, изогнутый в виде б квы 13, что более удобно для изготовления. Кроме того, его сравнительно легко получить из круглой тру к бки по- переменным созданием вмятин с одной и с другой стороны, как п оказано на рис. 2-11. Лампы, в которых исполь- 1,5Аинаг ззуется эта геометрия, работают при токе,, и руке 0,8 Вт/см.
Эти лампы продаются фирмой «Дженерал электрик» («Оепега! Е!ес!Пс Сошрапу») под фабричным названием «Рохчег бгооуе» 1Л. 2-111. В лабораториях фирмы «Сильвания» («Яу!чан!а») внимание сосредоточено на иных путях достижения тре- 42 буемого увеличения электронной температуры, а именно: замена одного газа на другой, в котором диффузионные потери болыпе, и использование более низких давлений при сохранении стандартного (38 мм) диаметра трубчатой колбы.
Как уже упоминалось в связи с рнс. 2-10„скорость исчезновения электронов и ионов изменяется в соответствии с измснением коэффициента амбиполярной диффузии 1), ионов в инертном газе, который в свою очередь определяется подвижностью ионов Рь Приблизительные значения подвижности ионов ртути, смз((В с), в трех Рис. 2-!1. Влияние геометрии колб, используемой для получения эффекта при прямоугольном сечении, примененном в мощных желобковых лампах наиболее легких газах при 0 С и давлении 0,1 МПа (760 мм рт.
ст.) [Л. 2-12] равны: Не=19,6; Хе=5,9; Аг=1,85. Заметим, что чем легче газ, тем больше подвижность ионов ртути в нем. Подвижность ионов ртути в криптоне Кг и ксеноне Хе не была измерена, но она определенно меньше, чем указанная выше, причем в ксеноне она наимеиыпая. Таким образом, можем заключить, что электронная температура, а следовательно, и уровень насыщения выхода УФ излучения будут наибольшими в гелии и наименьшими в ксеноне.
На рис. 2-!2 показана зависимость выхода УФ излучения от подводимой мощности при постоянном давлении паров ртути для ламп, наполненных различными инертными газами до давления 260 Па (2 мм рт. ст.) !Л. 2-6!. Наблюдаются две особенности: 1) снижение уровня насыщения при увеличении атомной массы инертного газа; 2) увеличение выхода УФ излучения при малых мощностях ламп при увеличении атомной массы газа. Первая из них, конечно, объясняется 43 электронной температурой, а вторая — ум я — меньшением потерь на упругие соударения (пз(М уменьшается с увсоп е еляется Выбор газа для требуемой мощности определя рядом факторов. При удельной мощности 1,6 Вт/ем пред- почтит ельнее неон.
При удельной мощное, ( аргон дадут приблизительно одинако вые к, п. д., неон и арго ю аю ееся в более однако преимущество неона, заключающ высоком уровне насыщения, будет перечеркнуто большими потерями на упругие соударення. ои Рис. 2-12. Зависимость выхода УФ излучения с длиной волны 263,7 нм от нагрузки на единицу длины положительного столба длп лами диаметром 38 мм, наполненных различными инертными газами при давлении 260 Па (2 мм рт.
ст.) и при давлении ртути 0,8 Па (6 1О-' мм рт. ст.) 1Л. 2-6]. ои э. й аз (бИ В 677 Вг)см Виним дуги Так повелось, что на практике электрические параметры являлись также определяющим фактором. По экономическим соображениям все изготовители отдают предпочтение лампе с нагрузкой 0,8 Вт(см при использовании такого балластного устройства, которое обеспечивает одинаковые разрядный ток и рабочее напряжение при номинальной мощности для всех ламп с нагрузкой 0,8 Вт/см. Поскольку фирма «Дженерал Электрика являлась основным предприятием, где изготовлялись балласты для люминесцентных ламп, и разработанн1ке там баллпстьг удовлетворяли электрическим характеристикам мощных желобковых ламп, то это заставило всех остальных производителей перейти к тем же электрическим характеристикам, что и для ламп с некруглым поперечным сечением. К счастью, напряженность продольного электрического поля, а следовательно, и падение напряжения в дуге разряда регулируется частично другим свойством инертного газа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
