Электроды ламп высокой интенсивности
Работа электродов в лампах высокой интенсивности (ВИ).
В лампах ВИ применяют самокалящиеся катоды. Вследствие большой плотности тока, составляющей (3—7) 103 А/см2, и высокой температуры плазмы электроды работают в тяжелом тепловом режиме. Нетрудно подсчитать, что плотность мощности, выделяющейся на электродах в месте «привязки» дуги, достигает сотен ватт на один квадратный сантиметр. Рассеяние подобных плотностей мощности при помощи излучения привело бы к неминуемому перегреву и крайне быстрому испарению, в первую очередь оксидного материала. Сохранение в этих условиях на рабочем участке поверхности электродов температуры, необходимой для их нормальной работы, возможно только путем отвода этого потока тепла за счет высокой теплопроводности к другим участкам электрода, где это тепло может быть рассеяно с приемлемыми градиентами температуры. Поэтому в лампах ВИ применяют поверхности о-активированные электроды так называемого пленочного типа. Они представляют собой конструкцию из тугоплавкого металла с достаточно высокой теплопроводностью, на рабочей поверхности которого находится тонкая (мономолекулярная) пленка веществ, снижающих работу выхода, но почти не уменьшающая теплопроводности.
Последнее время в некоторых типах дуговых ламп ВД и частично СВД находят применение также синтерированные катоды с вставками из композитных эмиссионных материалов.
Эффективность и долговечность работы электродов в рабочем режиме определяются, как и в других дуговых разрядах, прежде всего их эмиссионной способностью и скоростью распыления, но в условиях разряда ВИ.
Условия работы электродов в ртутных (и вообще лампах с парами металлов и других веществ) и газовых лампах ВД существенно отличаются в стадии зажигания и разгорания. В лампах с парами металлов в первый период после зажигания разряда плотность паров в холодной лампе мала и дуговой разряд происходит при сравнительно низком давлении, определяемом давлением инертного газа в лампе. Вследствие этого для зажигания разряда требуется сравнительно невысокое напряжение. Однако увеличивается возможность распыления электродов на стадии разгорания, которая длится до нескольких минут. В газовых лампах ВД зажигание разряда происходит при ВД, поэтому практически отсутствует стадия разгорания и отпадает возможность распыления электродов на этой стадии. Но для зажигания требуются очень высокие напряжения, особенно в длинных трубчатых лампах, что может приводить также к разрушению электродов.
Эти различия в условиях работы приводят к различию в конструктивном оформлении электродов в лампах с парами и газами.
Разрушение электродов. В момент зажигания разряда ВД катод обычно настолько холоден, что не может обеспечить термоэмиссию, достаточную для образования термоэлектронной формы дуги, и возникает тлеющий разряд. Катодное падение напряжения составляет около 100 В. Затем, по мере того как происходит местный нагрев катода и формирование КП, катодное напряжение падает до значения 5—15 В. Большое катодное падение напряжения в период тлеющего разряда приводит к распылению электродов за счет ионной бомбардировки. Таким образом, чем меньше число зажиганий и чем короче стадия тлеющего разряда, тем меньше катодное распыление. При работе на переменном токе каждые полпериода происходит перезажигание разряда и может иметь место такой процесс, который приводит к дополнительному распылению. О его наличии свидетельствует появление пиков перезажигания, если они связаны с явлениями на катоде.
В сильноточных разрядах ВД при пульсациях тока, превосходящих определенную величину, наблюдается разрушение рабочей поверхности анода. Особенно сильно этот процесс наблюдается при разряде в ксеноне и других более легких инертных газах. Рабочая поверхность анода покрывается оплавленными наростами вольфрама в форме шариков, изъязвлениями поверхности между ними и мелкими трещинами. Аналогичная картина наблюдается и при работе газовых ламп с короткой дугой на переменном токе. Исследования показали, «то разрушения связаны с изменением теплового режима на рабочей поверхности анода и, по-видимому, вызваны явлениями термоусталости металла. При одинаковой средней силе тока и глубине пульсаций разрушение анода тем меньше, чем ниже работа выхода электронов (точнее, входа) и чем меньше давление наполняющего газа. С ростом глубины пульсаций выше некоторого предела (см. ниже) или при работе на переменном токе скорость разрушения быстро возрастает. Она возрастает также со временем, поскольку на разрушенной поверхности повышается работа выхода вследствие испарения активирующих присадок и связанного с этим повышения температуры.
При малых расстояниях между электродами и наличии пульсаций силы тока иногда наблюдается перенос материала на катод. На катоде образуются наросты, искажающие его форму и изменяющие условия разряда. Это приводит к неустойчивости положения разряда на электродах, к изменению длины дуги и ее яркости и делает лампу непригодной для работы в оптических системах.
Фиксация положения разряда на электродах. В лампах высокой яркости с короткой дугой возникает необходимость фиксации положения разряда на электродах. В случае разряда с КП последнее имеет склонность перемещаться по рабочей поверхности катода. Перемещения возникают при неровностях на торцевой поверхности катода и неоднородной активировке. Наиболее устойчивое положение разряда на катоде наблюдается при работе без КП или вблизи точки перехода в эту форму разряда. Некоторые практические приемы, обеспечивающие фиксацию пятна, указаны в этом параграфе ниже.
Работа электродов в металлогалогенных лампах имеет ряд особенностей, связанных с явлениями в самом разряде и влияющих на выбор материалов и конструкцию .
Электроды ламп высокого и сверхвысокого давления с парами металлов. Характерной особенностью работы электродов в этих лампах является период разгорания разряда, особенно опасный в отношении распыления электродов, поскольку разряд в этот период начинается при низком давлении паров. Его продолжительность в зависимости от типа лампы и ПРА составляет от нескольких десятков секунд до нескольких минут. Поэтому конструкция электродов должна предусматривать их защиту от распыления.
Электроды ртутных ламп ВД переменного тока трубчатой формы. Оба электрода имеют одинаковую конструкцию и размеры. Конструкция и размеры выбираются таким образом, чтобы обеспечить оптимальные условия для попеременной работы электрода катодом и анодом как в стадии разгорания, так и в рабочем режиме.
В зависимости от условии разряда применяют электроды различной конструкции, но, как правило, электрод состоит из двух частей: зажигающей и рабочей. Зажигающая часть связана с запасом активного вещества и служит для облегчения зажигания разряда и работы в период разгорания, особенно опасный в отношении распыления. После разгорания разряд переходит на рабочую часть электрода, более стойкую в отношении распыления. Рабочая часть электрода вследствие очень тяжелого теплового режима делается исключительно из вольфрама, имеющего наиболее высокую температуру плавления и малую скорость теплового распыления. Вольфрам часто применяется с активирующими присадками.
В лампах ВД и СВД применяют катоды с запасом активного вещества, которое защищено от непосредственного воздействия разряда, но в то же время имеет возможность попадать на эмиттирующую поверхность катода путем испарения и диффузии. Достоинствами таких катодов являются возможность практически неограниченного возобновления эмиттирующего вещества на поверхности катода и защита активного вещества от действия ионной бомбардировки и перегрева. Существует много конструктивных решений подобных электродов.
Некоторые конструкции электродов этого типа для ртутных ламп ВД трубчатой формы на токи до 10—12 А. Электроды представляют собой керн из вольфрамовой проволоки, часто активированной (Th, Y), вокруг которого расположен так называемый радиатор (или муфта) большего диаметра. Обычно он представляет собой спираль или спирали из вольфрамовой проволоки. Некоторые распространенные формы спиралей.Радиатор выполняет несколько функций: служит резервуаром для активатора, является зажигающей частью электрода и позволяет регулировать тепловой режим электрода. Активаторы применяют в виде пасты, заполняющей полости между витками спирали и керном (рис. 9.12,6—е, позиция 3) или иногда в виде спеченных блоков (трубочек). Рабочей частью электрода служит выступающая часть керна, торец которой имеет форму плоскости с закругленными краями или полусферы.
В послевоенные годы для ртутных ламп ВД широко применяли ториево-оксидные катоды, правда, сравнительно недолго. Лампы требовали для зажигания повышенного напряжения питания, особенно при пониженных температурах (до 270—300 В при —30 °С), вследствие чего приходилось применять повышающие автотрансформаторы. Кроме того, наблюдалось сильное почернение колб от распыления электродов. Электроды этого типа требовали для работы температуры КП 2200—2500 К и были весьма критичны к тепловому режиму. Температура электрода должна была быть такой, чтобы в области КП на вольфраме постоянно поддерживалась монопленка Th за счет равновесия скоростей диффузии тория к поверхности и его удаления.
В 60-х годах были разработаны и стали применяться новые типы активаторов на основе соединений ЩЗМ, обеспечивающие более низкие напряжения зажигания ламп и существенно меньшее почернение колб. Их усовершенствование продолжается и по сей день. За рубежом, в качестве активатора для ламп типа ДРЛ широко применяют сложные вольфрамиты ЩЗМ, например Bai.sSro.gCaWOe [<р»1,63 В; при 7"= 1630 К lgm«10-9 г/(см2-с)]. Они обладают высокой эмиссионной способностью, более высокой температурой разложения, химически более стабильны к загрязнениям. Лампы с этими эмиттерами вследствие меньшего почернения концов трубки имеют малый спад светового потока в процессе горения. Добавление оксида иттрия дополнительно уменьшает спад светового потока.
Рациональная, но более сложная конструкция электрода для ламп типа ДРЛ. Зажигающая часть отнесена в дальнюю от разряда часть электрода. Она выполнена из более тонкой спирали. В качестве эмиттера использован цирконат бария, обеспечивающий малую работу выхода Спираль основной части радиатора, служащей резервуаром эмиттера, изготовлена из вольфрамовой проволоки большего диаметра, а в качестве активатора использован более термостойкий оксид иттрия Y2O3. Электроды весьма хорошо зарекомендовали себя в работе при высокой тепловой нагрузке.
Исключительно важное значение для хорошей работы электродов имеет правильный выбор их теплового режима. Наиболее важны: температура торца керна — место «привязки» дуги в рабочем режиме и температура наиболее нагретой части спирали— место привязки разряда в период разгорания. В рассмотренных конструкциях электродов регулирование теплового режима можно осуществлять выбором четырех параметров: диаметра керна, длины его выступающей части, диаметра и длины радиатора.
Теоретические расчеты достаточно сложны и трудоемки. Поэтому пока размеры приходится подбирать эмпирически, используя теорию для качественной оценки влияния указанных параметров на распределение температуры.
Электроды натриевых ламп ВД. По конструкции они аналогичны электродам ртутных ламп ВД. В качестве эмиттера применяют большей частью сложные вольфрамиты ЩЗМ (см. выше). В связи с малым диаметром разрядной трубки важное значение приобретает проблема уменьшения распыления электродов, особенно на стадии тлеющего разряда. В целях ускорения перехода тлеющего разряда в дуговой была предложена конструкция электрода, у которого в качестве внутренней спирали использована биспираль, поры которой заполнены эмиттером (см. рис. 9.12,е). По данным [18.6] время перехода тлеющего разряда в дуговой сокращается с 5—30 до 1—5 с.
В маломощных НЛВД (мощностью 150 Вт и меньше) применяют синтерированные электроды, спекаемые из смеси порошков тугоплавких металлов с активирующими присадками.
Электроды ртутных ламп СВД с короткой дугой переменного тока. Конструкции электродов ртутных ламп СВД с короткой дугой мощностью до 1 кВт с ториевым или иттриевым оксидом.
Конструкции электродов с развитой поверхностью охлаждения, применяемых в лампах СВД большой мощности (2 кВт и больше). Рабочая часть электрода обычно изготовляется из торированного вольфрама. Конец прутка, обращенный к разряду, оплавлен в виде полусферы.
Электрод, имеющий фасонную форму, изготовлен из спеченного при высокой температуре вольфрамового порошка (синтерированный вольфрам) с добавкой оксида тория. При зажигании разряда и в период разгорания катодное пятно располагается у отверстия одного из каналов После разгорания лампы и повышения давления разряд переходит на торец вставки, которая является рабочей частью электрода. Современные электроды этого типа делаются без каналов, и КП в период разгорания располагается на торце вокруг вставки.
Электроды ртутных ламп СВД с короткой дугой постоянного тока. Лампы постоянного тока делают только для специальных применений, например для проекции, для регистрирующих приборов. Большей частью это лампы высокой яркости с короткой дугой.
Катоды имеют, как правило, зажигающую и рабочую части. Для фиксации разряда на рабочей части катода ему придают такую форму и размеры, которые обеспечивают нагрев строго ограниченного участка торцевой поверхности до более высокой температуры, при которой разряд переходит в форму без катодного пятна. Конструктивно это решается чаще всего путем придания катоду формы конуса с небольшим закруглением на торце, обращенном к разряду, или торца грибообразной формы. Материалом обычно служит торированный вольфрам.
Аноды ламп мощностью до 1 кВт представляют собой сплошной стержень из кованого вольфрама часто с присадкой оксида тория. Конец анода, обращенный к разряду, имеет форму конуса с небольшой площадкой на торце или полусферы. Другой конец имеет форму лопаточки для лучшей приварки к молибденовой фольге и заварки в кварцевую колбу.
В лампах большей мощности аноды имеют большие размеры и форму, при которой обеспечивается отвод выделяющейся мощности без их перегрева.
Электроды газовых ламп высокой интенсивности. Поскольку в газовых лампах постоянно существует высокое давление и они практически не имеют периода разгорания, отпадает необходимость иметь специальную зажигающую часть электрода, как в ртутных лампах.
Катоды
Электроды трубчатых ламп переменного тока представляют собой стержни цилиндрической формы. Конец стержня, обращенный к разряду, имеет чаще всего форму полусферы . Электроды изготавливаются из кованого вольфрама с присадкой оксида тория в количестве до 5% (марка ВТ-50). В последнее время применяют также синтерированные электроды, представляющие собой стержень или трубку из синтерированного вольфрама или молибдена, с торца которой, обращенной к разряду, имеется вставка, синтерированная из композиции эмиссионных материалов. В качестве активно-эмиссионных добавок применяют скандат бария, алюмосиликат цезия и некоторые другие соединения .
Электроды ламп СВД с короткой дугой постоянного тока имеют различную форму и размеры. Катод имеет значительно меньший диаметр, чем анод. Он представляет собой штифт из торированного вольфрама, конец которого заточен в форме конуса. В лампах на большие силы тока на катод надета «муфта» из спеченного при высокой температуре вольфрамового порошка, которая дополнительно охлаждает электрод и обеспечивает более долговечную работу.
Анод в лампах на силы тока до 5—6 А представляет собой стержень из кованого торированного вольфрама. Конец, обращенный к разряду, имеет форму конуса с площадкой на торце или форму полусферы. С увеличением силы тока размеры анода увеличиваются, и ему придают иногда ребристую форму для увеличения поверхности охлаждения. При диаметрах до 8—10 мм он изготовляется обычно из целого прутка кованого вольфрама. При больших диаметрах он представляет собой керн из кованого вольфрама, вокруг которого расположена муфта фасонной формы из спеченного вольфрама. Несколько конструкций анодов газовых ламп СВД постоянного тока с короткой дугой большой мощности.
Электроды ламп с короткой дугой переменного тока. Создание долговечных ламп переменного тока с короткой дугой на большие силы и плотности тока является сложной задачей из-за большого разрушения электродов. В настоящее время для этой цели применяют электроды из торированного вольфрама с крупнокристаллической структурой и камерные электроды. На рис. Схематически вид такого электрода. Он представляет собой трубку из чистого плотноспеченного вольфрама, рабочий конец которой оплавлен, а затем заточен на конус с небольшой площадкой на торце. Оплавление создает плотную крупнокристаллическую структуру, устойчивую к распылению. Внутрь трубки помещена таблетка из активного вещества и пробка в виде вольфрамового стержня. Таблетка состоит из оксида тория и иттрия с добавкой вольфрамового порошка. Лампы с такими электродами могут длительно работать на переменном токе и в импульсном режиме.
Регулирование температурного поля электродов ламп СВД осуществляется путем подбора их размеров, формы и условий охлаждения, исходя из уравнений теплового баланса, а также конструктивно-технологических требований. Для снижения температуры высоконагруженных электродов увеличивают теплоотвод от места «привязки» разряда. С этой целью широко применяют радиаторы-муфты соответствующей формы и размеров. Особенно важна проблема теплоотвода для анодов ксеноновых ламп большой мощности. Если не удается указанными выше путями решить проблему, приходится применять полые электроды с водяным охлаждением.
Уменьшение теплоотвода к некоторой части электрода, например к месту впая электрода в колбу, осуществляют, делая на цилиндрической части электрода в нужном месте проточку или несколько проточек. Можно использовать электроды в форме трубки и таким образом изменять теплоотвод. Такой способ особенно удобен для синтерированных электродов.
Для оценки работы электродов особенно важны максимальные температуры на рабочих участках электродов в местах «привязки» разряда, на зажигающей части (если она имеется), а также в месте впая электрода в колбу. Ввиду большой сложности и трудоемкости строгих решений и в тоже время их недостаточной точности, связанной с неизбежными упрощениями и неточным знанием некоторых параметров, во многих случаях инженерной практики целесообразно использовать приближенные решения, позволяющие сравнительно просто выявить и количественно оценить влияние различных факторов на температурное поле электродов той или иной конструкции.
Настольные люминисцентные лампы, Бра, Торшеры