Излучение и электрические характеристики ртутного разряда в люминесцентных лампах
Основное внимание уделено столбу разряда, поскольку в нем происходит наиболее эффективное преобразование электрической энергии разряда в излучение. При малых токах и давлениях ртутного пара (0,8—0,9 Па, или 0,006— 0,008 мм рт. ст) в излучение резонансной линии 253,7 нм превращается до 70% подводимой к столбу мощности, в то время как на долю УФ-линий в области от 260 до 380 нм приходится всего около 1—2%, а на долю видимых линий — около 3—4%. Поэтому основное внимание уделялось изучению резонансного излучения.
Для разработки эффективных люминесцентных ламп необходимо прежде всего знать зависимость КПД выхода резонансного излучения от условий разряда, к которым относят (см. гл. 3 и 6) давление паров ртути, силу тока, его частоту и форму, диаметр разрядной трубки, ее температуру, состав и давление наполняющих инертных газов.
Имеется много работ, в которых экспериментально исследовались излучение, электрические, тепловые и другие характеристики столба ртутного разряда НД в зависимости от условий разряда1. Однако в большинстве из них нет полного набора данных, необходимых для определения г)рез в широком диапазоне изменения условий разряда. Наиболее полные и систематические экспериментальные данные при изменении условий разряда в широких пределах были получены И. М. Весельницким. Он раздельно измерил относительное излучение линий 253,7 и 184,9 нм в трубках с внешним диаметром 19, 25, 38, 54 мм при токах от 0,1 до 5 А для наполняющих газов — неона, аргона, криптона и ксенона при четырех давлениях: 9, 67, 267 и 530 Па (0,07; 0,5; 2 и 4 мм рт. ст.) и давлениях паров ртути, соответствующих максимальным значениям излучения линии 253,7 нм для каждого рода газа и диаметра трубки. Для этих же условий были измерены градиенты потенциала и катодные падения. Полные данные приведены в приложении.
Измерения проводились на специально разработанных им экспериментальных лампах в виде трубок из кварцевого стекла, для каждой из которых измерялся коэффициент пропускания излучения линий 253,7 и 184,9 нм. Каждая лампа указанных выше диаметров имела по четыре одинаковых боковых отростка, расположенных по концам лампы и по длине на равных расстояниях. В них располагались электродные узлы с отдельными выводами от трех оксидированных катодов и окружающего их цилиндрического анода. Такая конструкция служила для измерения удельной мощности, катодного падения на каждом катоде и градиента потенциала.
Раздельное измерение излучения линий 253,7 и 184,9 нм производилось при помощи специальных вакуумных фотоэлементов в кварцевом стекле. Излучение линии 253,7 нм измерялось фотоэлементом с катодом, покрытым слоем магния, и с внешним фильтром УФС-1, а линии 184,9 нм —с теллуровым катодом. Каждый фотоэлемент помещался в специальный тубус, припаянный в центральной части трубки, и непосредственно соприкасался со стеклом трубки-лампы.
Давление паров ртути поддерживалось во время измерений на заданном уровне путем поддержания требуемой температуры в специальном отростке со ртутью. Вся лампа погружалась в водяную баню, температура которой поддерживалась на 10 "С выше, чем в отростке.
Измерения проводились на переменном токе с промышленной частотой 50 Гц. Значения Ри, находились как разность Рл одной лампы в одинаковых условиях разряда, отличающихся длиной столба. Погрешности, вызываемые различными характеристиками катодов, исключались путем измерения для каждого катода. Градиент потенциала в целях исключения этих погрешностей определялся по формуле.
При определении Фит (fa) принималось, что коэффициент пропорциональности между фототоком и потоком излучения соответствующей линии не зависит от условий разряда. Абсолютирование потоков проводилось по измерениям Б. Бэрнса 1960 г.
Точность определения градиента потенциала составляет около +4—5 %. Точность определения потока излучения вряд ли лучше +7—8 %, особенно для условий разряда, далеких от тех, при которых проводилась абсолютизация, главным образом из-за непроверенности предположения о постоянстве коэффициента пропорциональности между фототоком и потоком.
Вообще следует иметь в виду, что условия в экспериментальных лампах заметно отличаются от условий работы реальных люминесцентных ламп. Так, отличаются условия распространения излучения в кварцевой трубке и в люминесцентной лампе при наличии слоя люминофора, различны и условия теплообмена и т. п. С этой точки зрения представляют интерес обширные экспериментальные данные для люминесцентных ламп в условиях, соответствующих реальным, полученные А. С. Федоренко.
В данное время имеется возможность, пользуясь замкнутой системой уравнений, рассчитывать электрокинетические, электрические, энергетические и другие характеристики столба разряда в люминесцентной лампе и предсказывать их поведение в широком диапазоне изменения условий разряда. В Мордовском государственном университете отлажена программа на языке ФОР-TPAH-IV для ЕС ЭВМ и проведено много расчетов. Сравнение их с экспериментальными данными показало удовлетворительное согласие.
Излучение резонансных линий ртути в зависимости от условий разряда.Типичная зависимость потока излучения резонансных и некоторых других линий ртути от давления паров ртути pHg=f(tXO]1) при постоянных значениях d2, I и ри.г. Наличие максимума в излучении резонансных линий, более сильно выраженного у линии, объясняется действием противоположных факторов: с одной стороны, с ростом концентрации атомов ртути растет излучение, с другой стороны, падает электронная температура и растет число вторичных процессов, что вызывает падение излучения. Положение максимума слабо зависит от условий разряда.
В качестве примера представлена часть экспериментальных зависимостей от силы тока для различных наполняющих газов при постоянных значениях d2, рк.т и pHg(txoji), соответствующего максимальному значению Фит.
Анализ приведенных данных показывает следующее:
1. С уменьшением атомной массы наполняющего газа излучение обеих линий возрастает (при одинаковом токе и давлении паров ртути), что объясняется ростом электронной температуры в разряде.
2. С ростом тока излучение обеих резонансных линий сначала возрастает почти линейно, а затем замедляется, приближаясь к насыщению. Чем меньше молекулярная масса инертного газа MKS, тем при больших токах наступает насыщение и тем больше мощность излучения. Такой ход объясняется тем, что
1. с ростом тока возрастает роль вторичных процессов и разряд приближается к равновесию между ударами I и II рода, а излучение— к величине, определяемой электронной температурой, которая тем больше, чем меньше MHS.
3. Рост отношения Фют (185)/QiCT (254) с ростом тока и давления паров ртути объясняется тем, что в возбуждении линии 185 нм начинают играть заметную роль ступенчатые переходы 63Po,i,2-*-6IPi. Такое явление отчетливо наблюдалось для сингулентной резонансной линии кадмия. С уменьшением диаметра трубки возрастает Е и Те и вместе с тем существенно возрастает Ф1ст (185)/cDiCT.
Влияние инертного газа на резонансное излучение ртутного разряда НД. Добавление к чисто ртутному разряду инертных газов приводит к значительному увеличению выхода обеих резонансных линий ртути и особенно линий 254 нм. Объясняется это тем, что при введении инертного газа, во-первых, резко уменьшается длина свободного пробега электронов и снижается электронная температура; поэтому для поддержания того же тока необходимы большие концентрация электронов и величина градиента; во-вторых, наблюдается более сложный механизм излучений линии 254 нм, связанный с переходами метастабильных атомов ртути на излучающий уровень.
Зависимость КПД резонансного излучения ртути от давления инертного газа.
Роль метастабильных атомов ртути в механизме излучения линии 254 нм. В чисто ртутном разряде НД вероятность диффузии метастабильных атомов к стенкам трубки превосходит вероятность их соударений с электронами, в результате которых они могут перейти в другое энергетическое состояние. Поэтому практически вся энергия разряда, идущая на возбуждение метастабильных атомов, переносится ими к стенкам трубки, где бесполезно превращается- в тепло. Введение инертного газа до давления в несколько сот паскалей повышает давление в лампе в сотни раз. Примерно во столько же раз уменьшаются длина свободного пробега метастабильных атомов ртути и коэффициент их диффузии к стенкам трубки (Z)MHg ~ i>Hg/pH.r). Вследствие этого резко возрастает вероятность их соударений с электронами, в результате которых они могут переходить на излучающий уровень.
Роль переходов между уровнями 63Р, приводящих к повышению выхода линии 254 нм, может быть оценена по формулам.
Расчеты К. Кенти показали, что в столбе люминесцентной лампы 40 Вт примерно 2/3 наблюдаемого излучения линии 253,7 нм, 2/3 излучения видимого триплета и 3/4 излучения группы линий 365 нм обусловлены ступенчатыми переходами через уровни 63Р; переизлучение приводит примерно к 70-кратному увеличению эффективной продолжительности жизни на уровне 63Pi.
В результате при добавлении аргона около 80—85% общего количества атомов, возбужденных до уровней 63P2,i,o, принимает участие в излучении линии 254 нм и только 20—15% сплошные стрелки — удары I и II рода; волнистые — выход излучения (за исключением встречных стрелок переизлучения); одна сплошная стрелка соответствует 3-10'6 переходам в I с на 1 см длины столба; пунктирные — десятые доли этой величины (указаны у стрелок). Ширина уровней пропорциональна концентрациям на них возвращается в нормальное состояние в результате ударов II рода. Специальные лампы накаливания.
Поскольку эффективные сечения для ионизации из возбужденных состояний 6SP на порядок величины больше, чем из нормального состояния 6'Sn, в условиях люминесцентной лампы практически вся ионизация происходит из состояний 63Р, причем в основном из 63Рг, гак как на этом уровне имеет место относительно наибольшая концентрация.
Аналогичным путем может быть решена задача и для других наполняющих газов.
Как следует из теории, чем больше вероятность соударения метастабильного атома с электроном по сравнению с вероятностью его диффузии к стенкам трубки, тем меньше должна сказываться роль инертного газа на выход излучения линии 245 нм. Опыт хорошо подтверждает этот вывод. Так, например, в области больших давлений ртути добавление аргона уже практически не вызывает увеличения выхода излучения 254 нм. Аналогичным образом должно влиять и повышение силы тока.
Градиент потенциала. В качестве примера типичная зависимость эффективного значения градиента потенциала от тока (при частоте 50 Гц) для трубок разного диаметра, от тока для разных наполняющих газов при постоянных значениях остальных условий разряда. Зависимости градиента потенциала от тока в аргонно-ртутном разряде в трубках диаметрами 10 и 15 мм .
С ростом тока, диаметра и молекулярной массы газа Ми.т градиент потенциала уменьшается, поскольку растет вероятность ионизации и уменьшается вероятность диффузии заряженных частиц к стенке (см. гл. 3). Зависимость от давления наполняющего газа имеет более сложный характер. Уменьшение давления Ne приводит к уменьшению градиента. Уменьшение давления Аг, Кг и Хе при малых токах вызывает уменьшение градиента, причем тем большее, чем больше диаметр; при больших токах, наоборот,— увеличение, причем тем большее, чем меньше диаметр.
При увеличении tXOM (т. е. давления паров ртути) от 20 до 60 °С градиент потенциала падает, при этом более сильное падение наблюдается в трубках малого диаметра .
Градиент потенциала в смеси газов при решении инженерных задач можно рассчитывать по простой эмпирической формуле.Остальные параметры предполагаются неизменными. Формула хорошо согласуется с экспериментальными данными Т. Вербика и Дропа для смеси Ne с Аг и В. Бооса для смеси Кг с Аг, хотя теоретически не может быть обоснована.
Анодно-катоцное падение потенциала. Эксперименты показывают, что у ламп с самокалящимися катодами обычного типа расчетное значение Ua.K, полученное путем экстраполяции прямых UJl=f(lcT) к /Ст=0, лежит в пределах от 12 до 20 В в зависимости от силы тока, типа катода и других условий. Поэтому для большинства практических расчетов ламп обычного типа можно принимать Ц~а.к не зависящим от силы тока и считать его равным 16—18 В. При расчетах коротких ламп, у которых иа.к/иЛ велико, следует более тщательно выбирать значения Г7а.к- В люминесцентная лампа стандартного типа на катодное падение приходится от 10 до 15 В, а на анодное — от 3 до 6 В. При специальной конструкции электродов с большой поверхностью анода околоанодное падение можно снизить до 1—0,5 В, что дает заметное уменьшение околоэлектродных потерь. При расчете падения напряжения на лампе с подогревными катодами необходимо учитывать также падение напряжения в части катода от катодного пятна до сетевого провода. Катодное падение растет с уменьшением молекулярной массы наполняющего газа и его давления, особенно ниже 150 Па (около 1 мм рт. ст.).Лампы Philips.Применение люминисцентных ламп и цвет (световая температура) свечения.
Катодное падение зависит от конструкции катода и его эмиссионных свойств, а также от силы тока. С ростом тока катодное падение слегка уменьшается, но это происходит до тех пор, пока ток разряда меньше или равен току эмиссии. Когда ток разряда начинает превосходить ток эмиссии, UK вновь возрастает. Дополнительный подогрев катода значительно снижает величину околокатодного падения.
У ламп с холодными катодами анодно-катодное падение потенциала составляет 60—150 В в зависимости от конструкции и материала электродов, наполнения и условий разряда.