Электроды дуговых люминесцентных ламп низкого давления
В дуговых лампах низкого давления, работающих на переменном токе, широко применяют активированные электроды, рассчитанные на импульсное зажигание разряда с предварительно накаленными электродами. В отдельных специальных типах ламп, предназначенных для «холодных» зажиганий, используют электроды, рассчитанные на работу в этих режимах. Рассмотрим конструкцию и работу электродов первого типа на примере ртутных люминесцентных ламп низкого давления.
Конструкция электродов люминесцентных ламп. Электроды представляют собой триспирали (реже биспирали) из вольфрамовой проволоки, покрытые слоем оксида щелочноземельных металлов (ЩЗМ). Концы спиралей присоединены к двум выводам стеклянной ножки.
Такая конструкция дает возможность предварительного накала электродов путем пропускания тока, обеспечивает достаточно большой запас активатора, надежное сцепление активатора с проволочным каркасом и способствует быстрому нагреванию отдельных участков катода, благодаря чему ускоряется переход тлеющего разряда в дуговой. Катоды этого типа обеспечивают большой срок службы ламп не только в схемах с предварительным накалом, но и в схемах с «холодным» зажиганием.
Многие типы электродных узлов люминесцентных ламп имеют экраны различной конструкции. В конструкциях экраны электрически соединены с вводами. В анодный полупериод они принимают на себя часть тока и уменьшают нагрев электрода. В катодный полупериод при соответствующей конструкции они могут предохранить активный слой оксида от ионной бомбардировки в стадии тлеющего разряда. Изолированные экраны, окружающие электрод, предотвращают оседание продуктов распыления электродов на слой люминофора. В последнее время подобные экраны применяют в качестве геттерортутных дозаторов.
Геттерортутный дозатор (ГРД) для люминесцентных ламп представляет собой металлическую ленту из никелированной нержавеющей стали, на которую с одной стороны нанесен тонкий слой интерметаллического соединения ртути с меркуридом титана (Ti3Hg), а с другой — тонкий пористый слой нераспыляемого геттера (газопоглотителя) типа циаль [Zr (84°/о),+А1 (16%)] или циаль-j-+ (Ti+Zr-J-Al). Толщина слоев составляет 0,03—0,08 мм. Из этой ленты делаются экраны, окружающие катоды. Слой, содержащий соединение ртути, должен находиться на внутренней стороне экрана, а геттера — на внешней.
При температурах до 500 °С ртуть прочно связана с соединениями Ti, и только при нагреве до 600 °С и выше начинается заметное термическое разложение, в результате которого необратимо выделяется ртуть. Процесс разложения заканчивается при температуре около 900 °С.
Выделение ртути в лампе производится после ее откачки и отпайки путем нагрева экранов ВЧ индукторами до температуры 900 °С в течение 30 с, при этом из ленты с шириной покрытия 3,5—4 мм выделяется от 2,5 до 3,5 мг ртути на 1 см длины ленты при общем содержании ртути 4,2—4,8 мг/см. Как показывают исследования, для нормальной работы люминесцентной лампы мощностью 40 Вт в течение (15—20)-1О3 ч достаточно 15—20 мг ртути. Для выделения такого количества нужно, следовательно, около 6 см упомянутой ленты.
При нагреве одновременно с выделением ртути происходит активация геттера, сопровождающаяся усиленным выделением из него газов, преимущественно Н2. Эти газы частично сорбируются слоем люминофора. При снижении температуры геттера до оптимальной (200—500°С) они вновь поглощаются им вместе с другими остаточными газами. Во время работы лампы геттер нагрет до температур, близких к оптимальным, и постепенно поглощает вредные остаточные газы.
Существуют способы раздельного размещения в лампе геттера и дозатора ртути, что позволяет провести предварительное эбезгаживание геттера.
Применение ГРД позволяет значительно точнее воспроизводить количество дозируемой ртути, резко снизить опасность загрязнения окружающей среды в производстве и при утилизации отработавших ламп, улучшить стабильность светового потока и снизить напряжение зажигания в процессе горения и в несколько раз сократить расход ртути.
В качестве активатора для катодов люминесцентных ламп применяют тройной карбонат ВаС03: СаС03: SrC03 (50:30:20 массовых долей), из которого приготовляют суспензию. В нее добавляют около 5% ZrC>2 или MgZrC03, что приводит к увеличению термоэмиссии и срока службы. Суспензию наносят только на спиральную часть электрода, причем так, чтобы она заполняла витки первичной спирали у биспиральных электродов и витки первичной и вторичной спиралей у триспиралей, но не образовывала мостиков между витками последней спирали. Суспензия не должна попадать также на края спирали, подводящие электроды и экраны, так как на этих участках ее не удается отактивировать, что приводит к большому распылению
Нанесение суспензии на катоды осуществляется в производстве катафорезным способом, который обеспечивает получение плотного и равномерного слоя. При откачке ламп катоды подвергаются нагреву и специальной активировке, в результате чего резко повышаются их термоэмиссионные свойства .
Активирование оксидных катодов . Оксидный катод представляет собой полупроводник, состоящий из оксида BaO, CaO, SrO и включенных в них свободных атомов Ва, Са, Sr. Эмиссионные свойства катода определяются в основном наличием свободных атомов Ва, растворенных в кристаллах оксида. Оксид бария образуется путем разложения карбонатов при их нагревании, а свободный барий — преимущественно путем химических реакций с керном и некоторыми примесями в керне и оксиде при нагревании и протекании тока.
Для получения катода с высокими эмиссионными свойствами и обладающего большой долговечностью, необходимо создавать такие условия его обработки, при которых из карбонатов наиболее эффективно образуются ВаО и Ва и обеспечивается пополнение запаса Ва в процессе работы катода. Установлено, что наилучшими являются следующие реакции:
BaC03=^BaO-fC02 и
6BaO+W^Ba3W06+3Ba.
Аналогичные реакции происходят и с участием Са и Sr. Они наиболее активно протекают при температурах порядка 1100—1300°С. При более низких температурах (600—800 °С) преобладают нежелательные реакции, сопровождающиеся образованием только Ba3W06 и других побочных продуктов. С02 должен быстро откачиваться, чтобы он не вступал в нежелательные реакции. Образующаяся на керне прослойка Ba3W06 препятствует прохождению W * оксидный слой и затрудняет образование Ва. По мнению Д. Уэймауса, он играет очень важную роль, ограничивая образование свободного Ва. Если бы реакция шла беспрепятственно, то весь оксид бария превратился бы в свободный барий и испарился в течение 1000 часов. В литературе имеются и другие взгляды на роль прослойки BaW06.
Механизм эмиссии катодов люминесцентных ламп. Знание механизма эмиссии и умение ее измерять имеют первостепенное значение для выбора правильного режима работы катодов и их конструирования. Сложность заключается в том, что в условиях разряда не существует прямого метода измерения тока эмиссии. Все предложенные методы основаны в сущности на определении тем или иным способом момента нулевого поля у катода, когда ток разряда равен току эмиссии.
Применявшиеся ранее методы Дрювестейна, Фаунда и др. требовали изготовления специальных ламп с зондами и не давали достоверных и воспроизводимых результатов. Наиболее приемлемыми по своей чувствительности, удобству и воспроизводимости являются, с нашей точки зрения, так называемый радиошумовой и спектральный методы.
Радиошумовой метод, предложенный Д. Уэймаусом, основан на том, что при токе разряда, меньшем тока термоэмиссии, у катода накапливается отрицательный объемный заряд и образуется минимум потенциала. Положительные ионы, попадающие в эту потенциальную яму, начинают совершать в ней колебания, создающие радиочастотные сигналы, которые воспринимаются снаружи лампы. При медленном увеличении тока в момент, когда ток разряда равен току термоэмиссии, поле у катода становится равным нулю, колебания ионов прекращаются. Резкое уменьшение напряжения катодных радиошумов Г_/шум в момент нулевого поля. Описание схемы установки и техники измерений.
Хорошим индикатором появления ускоряющего поля у катода может служить также крутой рост интенсивности свечения спектральных линий аргона (например, 420,1 нм) и атомов ЩЗМ, например, бария 1%.
Большое количество экспериментов с катодами реальных люминесцентных ламп показало, что при хорошей активировке ток термоэмиссии при нулевом поле составляет 0,25—0,4 тока разряда.
Специальные эксперименты показали, что в обычных люминесцентных лампах при t/K= 12-г-14 В доля ионного тока на катод составляет от 0,06 до 0,11 [0.10]. Расчетные оценки дают величину от 0,03 до 0,07. Таким образом, получается, что ускоряющее электрическое поле у катода должно, по крайней мере, в 2 2— 3,5 раза увеличивать ток термоэмиссии, чтобы обеспечить ток разряда. Пользуясь уравнением термоэмиссии, легко подсчитать необходимое для этого снижение работы выхода Лф и далее по уравнению требуемую для этого величину поля: Лфк= (kT/e) In (/е//в0)=(1300/11 600) In 2,7^0,112 В. Необходимая для этого величина ?к=а(Дф/с) 2=ь(0,112/3,2-Ю-5) 2=^1 2Х ХЮ7 В/м^1,2-105 В/см. В то же время расчет по формуле (9.6) для ионов аргона дает
EK^v 1,44-104$UlJ\ В/м.
Принимая наиболее высокие значения для /,-к и UK (/=ч=20-104 А/и2; U=0,l; t/K=14 В), получаем ?K==VI1.44- 104(0,1 -20-104)14'/4=^v]3,9-106 В/м. Отсюда г)=к1,2-107/(3,9-106)=»3. Нам представляется целесообразным более детальное изучение физической природы коэффициента т| и определения его значения.
Режим работы электродов на переменном токе имеет ряд особенностей, связанных с тем, что из-за тепловой инерции электродов на электродных и приэлектродных процессах сказывается действие предшествующей фазы. Поэтому для понимания механизма работы электродов в этих условиях необходимо знать мгновенные значения основных параметров в течение периода и их распределение по электроду. Это прежде всего относится к температуре, особенно в зоне КП.
Прямыми экспериментами установлено, что температура электродов люминесцентных ламп в области КП меняется в течение периода на 50—70 °С и тем ниже по абсолютной величине, чем больше отношение 1ео/1. Соотношение температур в катодный и анодный полупериоды зависит от конструкции электродных узлов.
Благодаря тепловой инерции электродов нагрев в течение полупериода сохраняется к началу следующего и оказывается вполне достаточным для получения термоэмиссии, обеспечивающей отбор малого тока. Поэтому UK в начале и конце катодного полупериода имеет очень малую величину (нет катодных пиков перезажигания), и отсутствуют условия для катодного распыления оксида.
Важное значение для получения достоверных результатов имеет экспериментальная методика измерений. В настоящее время наиболее надежным методом определения мгновенных значений локальной температуры электродов люминесцентных ламп является микропирометрирование в ближней ИК-области спектра, где отсутствует мешающее излучение разряда и значительно больше (чем в красной части спектра) излучает сам электрод. Измерено излучение зоны КП электрода люминесцентной лампы по периоду при помощи германиевого фотодиода, снабженного тонким германиевым фильтром, который ограничивал чувствительность приемника областью спектра от 1,5 до 1,9 мкм.
Механизм расхода эмиссионного материала. Во время работы лампы на катоде образуется КП, которое является основным источником термоэлектронов. Вследствие неэквипотенциально-сти катода пятно располагается ближе к тому концу спирали, к которому подведено напряжение. Экспериментально установлено, что в процессе работы лампы расходуется оксидное покрытие, причем главным образом со стороны сетевого конца, так что пятно по мере израсходования оксида постепенно перемещается по катоду, обнажая металлический керн . Когда на одном из катодов израсходуется все оксидное покрытие и он потеряет термоэмиссию, лампа перестанет зажигаться или будет работать в режиме тлеющего разряда, который быстро приведет к распылению остатков оксида. Таким образом, продолжительность работы лампы определяется запасом оксида на электроде и скоростью его расхода. (Измерение скорости перемещения КП для ускоренной оценки срока службы люминесцентных ламп)
Оценки и эксперименты показывают, что основным процессом, вызывающим расход эмиссионного материала на электродах люминесцентных ламп в стационарном режиме дугового разряда, является тепловое испарение ВаО и Ва (скорости испарения других компонентов оксида значительно меньше).
Поскольку тепловое испарение электродов происходит не в вакууме, а в среде инертного газа (обычно в Аг при давлении 330—400 Па) и в дуговом разряде, по крайней мере, два процесса замедляют испарение. Это возврат части молекул испарившегося вещества обратно на электрод в результате соударений с атомами инертного газа и возврат части легкоионизуемых атомов ЩЗМ обратно на катод в виде ионов под действием электрического поля соответствующего знака [9.16].
Тепловое испарение. Скорость теплового испарения (плотность потока) частиц в вакууме, как известно, экспоненциально зависит от температуры.
В условиях люминесцентных ламп длины свободного пробега молекул ВаО в инертном газе значительно меньше расстояния от катода до стенок трубки (при рАг=400 Па Хдг составляет сотые доли сантиметра) и процесс теплового испарения может рассматриваться как диффузия молекул ВаО в среде инертного газа подобно испарению вольфрама в газополных лампах накаливания.
Пользуясь этими соотношениями, можно оценивать время, необходимое для полного теплового испарения оксида в зависимости от условий. Поскольку скорость теплового испарения экспоненциально зависит от температуры, для правильности оценок весьма важно знать фактическое распределение температуры по электроду и ее изменение во времени с высокой точностью.
Проведем оценку для электродов люминесцентных ламп, работающих в сети переменного тока. Из анализа распределения температуры по электроду следует важный вывод о том, что основная зона теплового испарения оксида резко ограничена: с сетевой стороны из-за отсутствия оксида, а с другой стороны—из-за спада температуры и экспоненциальной зависимости скорости теплового испарения от температуры. Здесь имеет место картина, аналогичная образованию резкой зоны КП. Поэтому в первом приближении можно принять, что тепловое испарение происходит из ограниченной зоны электрода, примерно совпадающей с КП, и эта зона по мере расхода оксида перемещается по электроду в направлении стрелки. Отсюда получим, что за время т масса испаряющихся молекул ВаО
Можно определить продолжительность горения Vmax, положив бвао равным полному запасу ВаО на электроде. Принимая для упрощения Fr и 5ИСП постоянными по времени, находим
GBao/(A.S„cn)
Возврат испаряющихся атомов ЩЗМ в виде ионов на катод может иметь место только тогда, когда электрод является катодом, при этом необходимо, чтобы основная ионизация атомов ЩЗМ происходила в достаточной близости от катода в зоне, откуда они под действием электрического поля могли бы попадать обратно на катод.
Количественно влияние возврата ионов ЩЗМ на скорость расхода эмиссионного материала можно оценить по балансу плотностей потоков атомов ЩЗМ, испаряющихся с катода и их ионов, возвращающихся на катод. Для решения задачи используется соответственно видоизмененная система уравнений. Расчетные оценки показывают, что наибольший возврат ионов ЩЗМ на катод соответствует режимам КП, которые при минимальном UK обеспечивают максимальный ток на катод. Так, для хорошо активированного катода стандартных люминесцентных ламп (/eo//pa3p~0,25-f-0,4; ^<«950ч-1 ООО °С; ?/к:= 12,5-=-13,5 В; 0,03-1-0,07) в катодный полупериод расход эмиссионного материала более чем на 90% компенсируется возвратными циклами.
В анодный полупериод условия электропереноса ионов ЩЗМ на анод отсутствуют и скорость расхода эмиссионного материала определяется только тепловым испарением в среде инертного газа. Поэтому особо важное значение имеет температура электрода и ее распределение.
Из изложенного ясно, что основной расход эмиттирующего материала происходит в анодный полупериод.
Расход эмиссионного покрытия в моменты зажигания вызывается катодным распылением в стадии тлеющего разряда. Очевидно, что чем больше число включений и чем длительнее стадия тлеющего разряда при каждом зажигании, тем больше расход оксида. Поэтому для уменьшения распыления в моменты зажигания необходимо стремиться к уменьшению стадии тлеющего разряда за счет более быстрого разогрева отдельных участков катода.
Конструкция электродов неоновых, натриевых и других ламп дугового разряда низкого давления. Электроды неоновых дуговых ламп представляют собой спирали, свитые из проволоки в виде гитарной струны. Керном служит молибденовый провод, на который навита вольфрамовая спираль. Катод покрывается оксидом ЩЗМ того же или близкого состава, что и оксид люминесцентных ламп. У некоторых типов электродов, рассчитанных на большие токи, имеются экраны в виде двух пластин, расположенных параллельно катоду с двух сторон. Пластины изготовляются из тантала и выполняют одновременно роль геттера.
Представлена одна из конструкций триспирального бифилярного электрода натриевых ламп НД. На вольфрамовый керн навита молибденовая спираль, а поверх нее — вольфрамовая. Вся эта спираль навивается на молибденовый керн, а затем на специальную оправку, которая придает электроду форму бифиляра. После термического закрепления формы электрода молибденовый керн вытравливается и образующиеся пустоты служат резервуарами оксида.
В некоторых типах ламп (светильников Philips) с более высокой плотностью тока на электроде применяют активаторы в виде небольшой таблетки— цилиндрика. В этом случае катод имеет полость, в которую помещается таблетка активатора. Представлена одна из подобных конструкций электрода. Достоинством такого катода является то, что он имеет весьма большой запас активного вещества, которое в то же время защищено от непосредственного воздействия разряда.
Синтерированные катоды для дуговых люминесцентных ламп НД представляют собой стаканчик диаметром и длиной по несколько миллиметров из тонкой жести, заполненный эмиттирующим веществом, спеченным (синтерированньш) из смеси порошков тугоплавких металлов (например, тантала и др.), с перекисями ЩЗМ. Особенностью предложенных в нашей стране синтериро-ванных катодов для люминесцентных ламп является глубокая полость в активном веществе с открытого торца, обращенного к разряду, в результате чего электрод работает в режиме полого катода со всеми преимуществами этого режима.
Достоинствами синтерированных катодов являются большой запас эмиссионного вещества, устойчивость к распылению в режиме мгновенных холодных зажиганий, вибро- и удароустойчивость и др. В силу указанных причин их применение перспективно прежде всего в люминесцентных лампах и других дуговых лампах НД, работающих в схемах мгновенного пуска.