Лампы. Процессы на электродах и в приэлектродных областях дуг высокого и сверхвысокого давлений
Ввиду весьма малых размеров прикатодных и прианодных частей разряда в дугах ВД и СВД экспериментальные исследования этих областей встречают серьезные трудности. Полученные данные часто мало точны, а многие локальные характеристики вообще экспериментально не изучены, что, конечно, за-1рудняет окончательный выбор модели процессов.
Экспериментальные данные о катодных явлениях. Подавляющее большинство дуг ВД и СВД, используемых в разрядных лампах, работает на вольфрамовых активированных электродах в режиме с КП. Экспериментально удается оценить катодное падение потенциала, размеры КП, а также его температуру.
Катодное падение потенциала измерялось при помощи зондов или путем сближения электродов. В последнем случае определялась сумма катодного и анодного падений напряжений. Эти методы заметно искажают разряд. В дугах ВД и СВД с вольфрамовыми катодами обнаружено, что UK имеет значение 15— 10 В и падает с ростом силы тока. Так, по данным в ксеноновой дуге при давлении 3 МПа UK уменьшается с 13 В при 3 А до 9 В пои 10 А, в аргоновой дуге пои давлении около 105 Па падает с 19 В при 7,5 А до 6 В при 100 А.
Плотности тока в КП обычно оценивают косвенным путем, например по диаметру видимой области прикатодного свечения или по величине расплавленного следа на поверхности катода. Точность полученных этим путем данных невелика. По данным Бауэра в ксеноновой дуге с вольфрамовым катодом /= (3-^-7). ю4 А/см2.
Температура поверхности КП определяет эмиссию катода, скорость его распыления и другие процессы, определяющие работу катода. Поэтому ее измерение представляет большой практический и теоретический интерес. Однако единственный пригодный в данном случае метод измерения температуры электродов по его тепловому излечению не может быть непосредственно применен, так как отраженное от электрода излучение разряда, как показывают измерения, по всему спектру обычно превосходит собственное излучение электродов.
Для устранения этого мешающего излучения разряда автором были предложены и разработаны в 1940—1941 гг. микропирометрические методы измерения температуры электродов разрядных ламп в моменты резкого выключения разряда.
Применимость этих методов основана на том, что скорость исчезновения свечения разряда после его резкого выключения обычно значительно превосходит скорость остывания электродов. Фактическая температура электродов в разряде определяется при этом путем экстраполяции измеренного спада температуры к моменту выключения разряда.
Разработанная схема обеспечивает весьма резкий спад тока в лампе до нуля, благодаря чему появляется возможность при измерениях температуры достаточно близко подходить к моменту выключения разряда и значительно упрощается задача экстраполяции. Подчеркнем, что это крайне важно, поскольку скорость остывания катода в КП весьма велика.
Время горения разряда между двумя выключениями выбиралось достаточно большим, с тем чтобы к началу следующего выключения в лампе успевало установиться стационарное состояние. Время выключения выбиралось значительно меньшим, чем время горения между выключениями, с тем чтобы разряд легко зажигался вновь, но достаточно большим, чтобы в течение паузы тока можно было детально проследить процесс остывания электродов и исчезновения излучения разряда. Так, например, в ряде опытов время между выключениями составляло 4''Ю-2 с, пауза тока 2,2-Ю-3 с, а время наблюдения через стробоскопический диск в моменты выключения разряда — около 1,1-10-4 с. Длительность пауз тока и времени наблюдения могла меняться.
При помощи описанного метода была впервые определена температура различных частей электродов в ртутных лампах СВД на постоянном токе и исследованы некоторые инерционные свойства излучения разрядов.
Результаты экспериментов на ртутных лампах СВД постоянного тока с вольфрамовыми катодами, имеющими конусную часть, показали, что температура торца катода в значительной мере зависит от его формы. Как и следовало ожидать, чем острее торец, на котором расположено КП, тем при Прочих равных условиях выше его температура. Экстраполяции к моменту выключения разряда дают как верхний предел для рабочих температур торца катода температуру 3100—3200 К при Р=.4,1 А и диаметре торца конуса 0,1 мм. На катодах с более тупыми торцами температура вольфрама в КП не превосходила 2500 К- Эти и другие эксперименты свидетельствуют о том, что механизм формирования прикатодных частей разряда может стабильно поддерживать разряд при разных Гк.п (конечно, в известных пределах).
Упомянутые методы, основанные на различной инерционности процессов в разрядных лампах, в различных модификациях с успехом применяются не только для измерения температуры отдельных небольших участков во многих типах разрядных ламп, но также для изучения инерционных свойств разрядов и для исследования разрядов в экстремальных условиях.
Модели катодных процессов в дуговых лампах высокого и сверхвысокого давления. В литературе имеется ряд попыток построения теории катодных процессов в дугах ВД и СВД с неиспаряющимися катодами, основанных на разных предположениях о механизмах переноса тока в прикатодной области. Отметим в этой связи работы Вайцеля, Ромпе и Шёна (1940 г.), а также Эккера (1952—1954 гг.) . Они исходили из идеи, высказанной И. Слепяном еще в 1926 г., о том, что перенос тока на катод осуществляется в основном положительными ионами, возникающими в высокотемпературном слое плазмы, лежащем на расстоянии одной или нескольких длин свободного пробега от поверхности катода. Этот же слой поставляет электроны в сторону столба, при этом эмиссия электронов из катода не является необходимой для поддержания разряда. Построенная ими на основании этой точки зрения теория приэлектродных частей термической дуги ВД и СВД с вольфрамовыми электродами позволила объяснить механизм стягивания разряда в КП. В дальнейшем Вайцель и Турэ усовершенствовали и дополнили ее, учтя термоэмиссию.
Поддержание высокой температуры в слое плазмы перед электродами, необходимое для обеспечения высокой электропроводности, согласно мнению авторов теории, возможно только в случае уменьшения потерь энергии, главным образом на катод. Это реализуется за счет сильного сжатия плазмы.
В термической дуге господствуют температуры от 4-Ю3 до 1-104 К, в то время как температура вольфрамового катода не превышает 3,5-1о3 К. Следовательно, между столбом и поверхностью электрода имеется слой газа, в котором происходит падение температуры. Распределение температуры в слое будет определяться в основном теплопроводностью и выделяющейся мощностью. По мере уменьшения температуры в направлении катода будут падать мощность излучения и концентрация зарядов. Поэтому для поддержания постоянной силы тока по направлению к катоду должны возрастать напряженность поля и величина объемных зарядов, которые ее определяют.
Прикатодная часть разряда может быть разбита на три области.
Непосредственно к плазме столба примыкает область, которая, несмотря на падение температуры и сильное возрастание напряженности поля, все еще сохраняет свойства плазмы. Для нее можно пренебречь объемным зарядом. Ток в ней переносится в основном электронами. Эту область авторы называют областью теплопроводности.
При дальнейшем снижении температуры картина коренным образом меняется. Плотность электронов становится малой, а плотность положительных ионов сильно возрастает, ионный ток становится значительным Качественно картина явлений в этой области носит следующий характер: эта область отдает в сторону плазмы электроны в виде электронного тока, а в сторону катода весь ток в виде ионного тока. Ее называют о б-ластью ионизации. Она, по-видимому, не резко отделена от области электропроводности. Большие напряженности поля приводят к тому, что здесь имеет место дополнительная ионизация. Уравнение баланса энергии остается справедливым и в этой области, но можно пренебречь излучением. Тогда получается, что падение напряжения в области ионизации должно быть порядка потенциала ионизации.
Непосредственно к катоду должна примыкать область пространственного заряда. Она ограничена с одной стороны катодом, а с другой стороны областью ионизации. В этой области ток к катоду переносится положительными ионами, возникающими в области ионизации. Если в первом приближении не учитывать эмиссию из катода, тогда для области пространственного заряда все члены, относящиеся к электронам, можно отбросить и получится следующая простая система уравнений. Задача решается в одномерном приближении. Специальные источники света
Основной вывод заключается в том, что AU уменьшается с ростом плотности тока. Падающая ВАХ для этой области приводит к тому, что разряд около катода будет стягиваться, при этом область пространственного заряда сжимается и происходит снижение AU.
Когда толщина слоя пространственного заряда достигает нескольких длин свободного пробега, уравнение теплопроводности перестает быть справедливым, так как ионы не успевают передавать энергию нейтральным атомам. При соударений нет и связь между плотностью тока и разностью потенциалов в слое между катодом и областью ионизации будет определяться «законом 3/2».
Таким образом, стягивание разряда у катода достигает предела, когда толщина слоя пространственного заряда снизится до одной или нескольких длин свободного пробега, так как дальнейший рост / будет сопровождаться увеличением AU. Уравнение (9.21) позволяет рассчитать значение AU и /, полагая хжК. Так, например, при лгк~5-10-6 см расчет дает AU^ »13 В и /ж 17-103 А/см2, т. е. получается величина AU, весьма близкая к действительному значению. Применение люминисцентных ламп и цвет свечения.
Учет эмиссии электронов из катода не меняет вывода о том, что без стягивания разряда нельзя объяснить низкое катодное падение потенциала.
При увеличении доли электронного тока приблизительно до 97—99% общего тока катодное пятно уже не является необходимым для поддержания разряда и исчезает, «расползаясь» по катоду. Плотность тока у катода падает. Область пространственного заряда увеличивается, и электроны могут передавать атомам свою энергию уже в этой области.
Рассмотрение показывает, что изменение плотности тока в области теплопроводности не сказывается на изменении напряжения. Поэтому область теплопроводности не вызывает стягивания, но и не препятствует ему. Следовательно, стягивание, начинаясь в зоне пространственного заряда, простирается и в область теплопроводности, где постепенно под действием радиальных сил сечение разряда приближается к сечению разряда в положительном столбе.
Стягивание разряда в области теплопроводности вызывает повышение температуры плазмы по сравнению с таковой в области столба. Поэтому перед катодом образуется небольшая область со значительно более высокой яркостью, чем в столбе.
А. Бауэр (1954 г.) в противоположность рассмотренным выше работам исходил из предположения, что именно электронная эмиссия при соответствующей напряженности поля у катода определяет поведение дуг с КП. Он рассчитал эмиссионную способность вольфрамовых катодов при различных температурах в зависимости от напряженности поля у катода, использовав уравнения термоэмиссии с учетом эффекта Шоттки. Далее он рассчитал плотность электронного тока насыщения, исходя из «закона 3/2». По Бауэру стационарные дуги могут существовать лишь при таких значениях Ек и /ек, которые соответствуют значению термоэмиссии при данной температуре катода и Ек.
Кратко изложенные выше теории касались только отдельных сторон явлений в прикатодной области и в КП дуг ВД. Между тем в показано, что есть возможность построить модель, включающую в себя замкнутый цикл взаимосвязанных процессов в КП и прикатодных областях, перечисленных в начале. Математическая модель содержит ту же систему из шести уравнений, которая была рассмотрена. Конечно, некоторые процессы в дугах ВД и СВД существенно влияют на плазменные и катодные характеристики, но не нарушают описанный замкнутый цикл. Расчеты показывают, что интенсивная ионизация газа у поверхности катода, уход ионов на катод, излучение, охлаждение катодом газа атомов и ионов, нагрев плазменных электронов, высокая теплопроводность электронного газа и его тепловая изоляция от катода делают невозможным существование ЛТР в плазменном слое у катода. Поэтому скорость неравновесной ионизации в этой области необходимо рассчитывать аналогично тому, как это делалось для дуг НД, с учетом решающей роли первичных электронов, отклонения ФРЭ от максвелловской и ее релаксации с расстоянием от катода. Лампы накаливания Специальные лампы.
Существенно меняется количественная роль отдельных составляющих в уравнении баланса энергии катода. Далее, поскольку размеры прикатодных областей в направлении, перпендикулярном поверхности КП, много меньше площади самого КП, задача может решаться в линейном приближении.
Рассчитанные значения Us, UK и Ua для криптоновой дуги с рабочим давлением 2 МПа на постоянном токе от 20 до 45 А с катодами в форме цилиндра с осевым отверстием, спеченными из специальных композиционных составов. Их эмиссионные свойства определялись экспериментально, а теплофизические свойства брались из литературы. Минимум Us объясняется тем, что с ростом I увеличивается UK из-за роста потерь энергии первичными электронами в результате кулоновских взаимодействий с плазменными, а Г/и уменьшается из-за увеличения проводимости плазмы и снижения ионной доли тока. Представленный характер зависимости является универсальным, пока в прикатодной области основную роль играет неравновесная ионизация, вызванная эмиссионными электронами. Тепловые режимы электродов рассмотрены в следующем параграфе.
Анодные явления.Экспериментальные данные. Анодные области дуг с вольфрамовыми и медными электродами обследованы менее подробно, чем катодные. Методы исследования и трудности аналогичны. Весь ток разряда переносится на анод электронами из плазмы, прилегающей к аноду. Вблизи анода образуется слой отрицательного пространственного заряда, из которого в сторону анода втягиваются электроны.
Экспериментально установлено, что анодные падения потенциала в дугах ВД и СВД на вольфрамовых и медных электродах составляют несколько вольт. Разряд к аноду обычно стягивается, но меньше, чем к катоду. Плотности тока на аноде меньше, чем на катоде, и составляют от 50 до 103 А/см2. Анод нагревается больше, чем катод.
Теории анодных частей дуг ВД разработаны менее детально, чем для катодных. К анодным частям дуги применимы уравнения, аналогичные. Рассуждения, аналогичные приведенным выше для катодов о спаде температуры от столба к аноду, дают возможность объяснить явления стягивания разряда у анода. Различие заключается в том, что электроны почти целиком переносят свою энергию на анод, в то время как ионы передают ее газу. Поэтому для области анодного падения можно положить плотность теплового потока постоянной. Отсюда для толщины области анодного падения получается выражение.
Как подчеркивалось ранее, для анализа и расчета прианодных явлений также следует использовать принцип минимума Штеенбека.