Метод определения давления газа в разрядных трубках Текст научной статьи по специальности «Физика»
Текст научной работы на тему «Метод определения давления газа в разрядных трубках»
МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА В РАЗРЯДНЫХ ТРУБКАХ
В. К. СВЕШНИКОВ, доктор технических наук, профессор,
член-корреспондент Академии электротехнических наук РФ
Известен спектральный метод определения давления аргона в люминесцентных лампах [1], основанный на зависимости соотношения потоков резонансного излучения линий ртути положительным столбом разряда при фиксированном токе разряда. Эта методика длительна по времени, требует применения спектральной аппаратуры и обладает невысокой точностью измерений — примерно 9 %. Давление газа можно определять по напряжению зажигания высокочастотного разряда на частоте 40 МГц между двумя электродами, расположенными диаметрально противоположно на поверхности газоразрядной лампы [2]. Недостатком этого метода является ограниченный диапазон измеряемых давлений. Для его расширения предлагается подавать на рабочие электроды лампы высоковольтный импульс, инициирующий зажигание основного высокочастотного разряда между внешними электродами [3]. Давление наполняющего лампу газа определяется по напряжению погасания разряда. Недостаток способа заключается в необходимости подачи высоковольтного напряжения на электроды лампы.
Известен еще один путь, основанный на использовании внешних электродов [3]. На центральной части лампы размещаются внешние электроды. К ним прикладывается модулированное по амплитуде высокочастотное напряжение, и возбуждается разряд. Давление газа устанавливают по графику зависимости напряжения зажигания разряда от давления. Этот метод также имеет ряд недостатков: происходит утечка высокочастотного тока по поверхности лампы, необходимы модуляции высокочастотного напряжения. К тому же он применим только для ламп, откачанных до давления 1,3 кПа. При
давлении свыше 1,3 кПа возникает неустойчивый контакт шнура высокочастотного разряда с оболочкой лампы.
В приведенных способах определение давления газа осуществляется возбуждением продольного разряда между внешними электродами. В таком разряде устранение заряженных частиц идет не за счет их рекомбинации в объеме лампы, а ввиду биполярной диффузии с последующей рекомбинацией на стенках лампы. Радиальное распределение электронов для подобной конфигурации разряда неоднородно. Кроме того, на процесс биполярной диффузии электронов и ионов сильно влияют материал оболочки, состояние ее поверхности, вторично-эмиссионные свойства, а также проводимость диэлектрической оболочки, что ограничивает точность измерений и воспроизводимость результатов .
В отличие от известных методов мы предлагаем расширение диапазона измеряемых давлений, повышение точности и воспроизводимости результатов при определении давления на низких частотах, что достигается возбуждением в поперечном сечении разрядной трубки вспомогательных разрядов, в результате чего объемный механизм развития разряда превалирует над поверхностным, имеющимся при высоких давлениях. Вследствие снижения напряжения возбуждения разряда повышается его стабильность как при низких, так и при высоких давлениях инертного газа.
На рисунке приведена схема устройства, которая реализует предложенный метод. Оно содержит четыре внешних электрода — 1, 2 и 3, 4, которые контактируют с поверхностью лампы 5. Для возбуждения разряда между электродами к ним прикладывается напряжение, сни-
© В. К. Свешников, 2005
маемое с обмоток 6 и 7 трансформатора 8. Постоянные по величине значения токов вспомогательных разрядов поддер-
живаются резисторами 9 и 10. Контроль токов осуществляется микроамперметрами И и 12.
Измерение давления в разрядной трубке проводится на частоте /* переменного напряжения, при которой активная проводимость плазмы сгп значительно больше проводимости ак конденсаторов, образованных двумя внешними электродами и внутренней поверхностью стенки лампы с толщиной Л и относительной диэлектрической проницаемостью е:
Активная проводимость плазмы вспомогательного разряда в области низких
Проводимость плоского конденсатора на частоте /» переменного тока определяется по формуле
где £0 — электрическая постоянная; 5 площадь вспомогательного электрода.
Подставляя соотношения (2) и (3) формулу (1), получим:
Известно, что в поперечном разряде в отличие от продольного доминирующими становятся объемные процессы рекомбинации заряженных частиц в плазме, что обусловливает равномерное распределение концентрации электронов по сечению лампы. Это позволяет повысить точность измерений.
Давление в разрядных трубках находится следующим образом.
1. К трансформатору 8 прикладывается напряжение, снимаемое с генератора 15, и возбуждается разряд между внешними электродами 1, 2 и 3, 4.
2. С помощью резисторов 9 и 10 токи разрядов, протекающие между электродами 1, 2 и 3, 4, устанавливаются равными 1,2 мкА.
3. Резистором 16 плавно увеличивается напряжение между парами электродов 1, 2 и 3, 4 до зажигания разряда в промежутке между ними. Зажигание регистрируется по возникновению тока в цепи микроамперметром 17.
4. По измеренному напряжению про-
боя определяется давление газа в разрядной трубке.
Предложенный нами метод испытан на разрядных трубках натриевых ламп ДнаТ-400, наполненных ксеноном, при давлении 3,192 кПа. Трубку 5 помещают между внешними электродами 1, 2 и 3, 4 размерами 4 х б мм, изготовленными из никелевой фольги и расположенными вдоль ее оси на расстоянии 3 см друг от друга. В схеме применен повышающий трансформатор 8 с коэффициентом транс-
формации между обмотками б, 7 и 13, равным 20, и обмотками 14 и 13, равным 40. К трансформатору 8 прикладывается переменное напряжение частотой 800 Гц от генератора низкочастотных колебаний
Метод позволяет упростить измерительную схему, методику измерений и сделать ее доступной для экспресс-контроля давления в заводских условиях. Погрешность измерения давления не превышает 3 %.
1. Алукаев Б. X. К определению давления инертного газа в люминесцентных лампах спектральным методом / Б. X. Алукаев, В. Ф. Дадонов, А. С. Федоренко // Светотехника. 1973. № 5. С. 4 — 5.
2. Свешников В. К. Способ определения давления газа в газоразрядных трубках / В. К. Свешников // Электронная техника. Сер. 4, Электровакуумные и газоразрядные приборы. 1980. Вып. 5. С. 48 — 49.
3. Физико-технические методы неразрушающего контроля ГРИ высокоинтенсивного оптического излучения / Ю. П. Андреев [и др.] / / Электронная техника. Сер. 4, Электровакуумные и газоразрядные приборы. 1990. Вып. 4. С. 35.
НАПРЯЖЕНИЯ В КАПИЛЛЯРАХ КОМПОЗИТА С НЕОДНОРОДНОСТЬЮ НЕПРЕРЫВНОГО ТИПА
B. Д. ЧЕРКАСОВ, доктор технических наук, профессор,
член-корреспондент РААСН, А. С. ТЮРЯХИН, кандидат технических наук,
C. Н. БОГАТОВА, аспирант
В ряде задач механики композитов в качестве модели представительной ячейки капиллярно-пористого композита можно выбрать (в геометрическом смысле) одиночный призматический капилляр кругового сечения [2; 3; 5]. Для такой модели ранее уже были представлены особенности макромеханики [4] и напряжен-но-деформироваииого состояния [2] ячейки из однородного материала, а также изложена методика определения эффективных модулей [3] и пористости [5] для ячеек с неоднородностью кусочно-одно-родпого типа. В данной статье, опираясь
на методы, изложенные в монографии [ 1 ], расширим класс решаемых задач и для ячеек, материал которых обладает свойством неоднородности непрерывного типа.
Расчетную модель ячейки композита представим прямолинейным капилляром, который имеет длину Ь, а также внутренний а и внешний Ъ радиусы кругового сечения (рис. 1). При этом замкнутая пористость композита при достаточно большой величине отношения Ь/Ь будет равна объемной доле канала в одиночной капиллярной ячейке:
© В. Д. Черкасов, А. С. Тюряхин, С. Н. Богатова, 2005
Для чего понижается давление в газоразрядных трубках
При понижении давления увеличивается длина свободного пробега электрона, и за время между столкновениями он успевает приобрести достаточную для ионизации энергию в электрическом поле с меньшей напряженностью. Разряд осуществляется электронно-ионной лавиной. Тлеющий разряд происходит при низкой температуре катода, отличается сравнительно малой плотностью тока на катоде и большим (порядка сотен вольт) катодным падением потенциала. Тлеющий разряд может возникать при давлениях газа вплоть до атмосферного, однако подавляющее большинство исследований тлеющего разряда проведено при давлении от сотых долей до нескольких миллиметров ртутного столба. Электроны из катода тлеющего разряда испускаются главным образом под действием ударов положительных ионов и быстрых атомов (и, частично, за счёт фотоэффекта). Явление самостоятельного разряда нашло широкое применение в технике: основным режимом работы различных тиратронов с холодным катодом, неоновых ламп, плазменных мониторов и других газоразрядных приборов является самостоятельный тлеющий разряд.
Газоразрядные приборы, преимущественно, наполняются инертными газами. Использование химически активных газов снижает срок службы электродов и стабильность характеристик разряда.
Тлеющий разряд наблюдается в газах при низких давлениях порядка нескольких десятков миллиметров ртутного столба и меньше. Если рассмотреть трубку с тлеющим разрядом, то можно увидеть, что основными частями тлеющего разряда являются катодное темное пространство, резко отдаленное от него отрицательное, или тлеющее свечение, которое постепенно переходит в область фарадеева темного пространства. Эти три области образуют катодную часть разряда, за которой следует основная светящаяся часть разряда, определяющая его оптические свойства и называемая положительным столбом. Основную роль в поддержании тлеющего разряда играют первые две области его катодной части. Характерной особенностью этого типа разряда является резкое падение потенциала вблизи катода, которое связано с большой концентрацией положительных ионов на границе первой и второй областей, обусловленной сравнительно малой скоростью движения ионов у катода. В катодном темном пространстве происходит сильное ускорение электронов и положительных ионов, выбивающих электроны из катода. В области тлеющего свечения электроны производят интенсивную ударную ионизацию молекул газа и теряют свою энергию. Здесь образуются положительные ионы, необходимые для поддержания разряда. Напряженность электрического поля в этой области мала. Тлеющее свечение в основном вызывается рекомбинацией ионов и электронов.
Протяженность катодного темного пространства определяется свойствами газа и материала катода. В области положительного столба концентрация электронов и ионов приблизительно одинакова и очень велика, что обуславливает большую электропроводность положительного столба и незначительное падение в нем потенциала. Свечение положительного столба определяется свечением возбужденных молекул газа. Вблизи анода вновь наблюдается сравнительно резкое изменение потенциала, связанное с процессом генерации положительных ионов. В ряде случаев положительный столб распадается на отдельные светящиеся участки — страты, разделенные темными промежутками. Положительный столб не играет существенной роли в поддержании тлеющего разряда, поэтому при уменьшении расстояния между электродами трубки длина положительного столба сокращается и он может исчезнуть совсем. Иначе обстоит дело с длиной катодного темного пространства, которая при сближении электродов не изменяется. Если электроды сблизились настолько, что расстояние между ними станет меньше длины катодного темного пространства, то тлеющий разряд в газе прекратится. Опыты показывают, что при прочих равных условиях длина катодного темного пространства обратно пропорциональна давлению газа. Следовательно, при достаточно низких давлениях электроны, выбиваемые из катода положительными ионами, проходят через газ почти без столкновений с его молекулами, образуя электронные, или катодные лучи.
Тлеющий разряд используется в газосветных трубках, лампах дневного света, стабилизаторах напряжения и для получения электронных и ионных пучков. Если в катоде сделать щель, то сквозь нее в пространство за катодом проходят узкие ионные пучки, часто называемые каналовыми лучами. Широко используется явление катодного распыления, т.е. разрушение поверхности катода под действием ударяющихся о него положительных ионов. Ультрамикроскопические осколки материала катода летят во все стороны по прямым линиям и покрывают тонким слоем поверхность тела.
Типичная вольтамперная характеристика тлеющего разряда приведена на рисунке
Вопросы по физике на тему Тлеющий Разряд.
1. Для чего понижается давление в газоразрядных трубках?
2. От чего зависит цвет свечения?
3.Почему при возникшем тлеющем разряде не вся трубка заполнена положительным столбом?
4. Где применяют трубки с тлеющим разрядом?
Голосование за лучший ответ
1 для облегчения пробития газового промежутка (чтобы при более низком напряжении разжигалось) 2 от состава инертных газов в трубке (какие там атомные переходы излучения/поглощения) 3 электроны летящие от катода на это влияют 4 везде (газоразрядные лампы например)
Газоразрядные лампы высокого давления
Газоразрядные лампы высокого давления делятся на несколько видов – это ртутные, металлогалогенные, натриевые и ксеноновые источники света. Главным образом их объединяет технология, где свет образуется в результате свечения паров металлов внутри горелки лампы под воздействием электрического тока. При этом каждый вид ламп отличается от другого наполнением колбы и техническими характеристиками, которые во многом определяют их назначение.
Все газоразрядные лампы объединяет ещё и то, что это лампы для профессионального применения. То есть для их эксплуатации всегда потребуется и некоторые знания, и дополнительное оборудование, и некоторые требования по безопасности как эксплуатации ламп, так и их замены. Множество газоразрядных ламп к завершению срока службы увеличивают давление внутри колбы и могут взорваться, поэтому их эксплуатация разрешена только в закрытых светильниках, внешнее стекло которых является термостойким.
Итак, какие бывают виды газоразрядных ламп высокого давления:
Дуговые ртутные лампы:
Ключевой элемент конструкции представляет кварцевая или керамическая горелка, наполненная парами ртути и газом. По боковым стенкам размещено 4 электрода, 2 из которых – это основные элементы, и еще 2 – зажигающие. Колба лампочек выполнена из термостойкого стекла, покрытого слоем люминофора, благодаря которому лампы образуют видимый спектр. Завершает строение винтовой цоколь Е27 и Е40, подходящий для прямой замены ламп накаливания.
Источник света в лампах типа ДРЛ – дуговой электрический разряд, который создают электроды после подачи питания (зажигающие элементы передают тлеющий разряд основным и в результате получается дуга). Высокая температура внутри колбы «окрашивает» электрический разряд в голубые оттенки, что в сочетании с мощным потоком ультрафиолета активизирует люминофор и добавляет свечению красный тон. Взаимодействуя с бело-зеленым свечением самой горелки, образуется яркий поток белого света.
Внешняя колба делает лампы устойчивыми к окружающим температурам, поэтому они надежно работают от +40 до -30 °C (превышение диапазона потребует больше времени для розжига горелки). Большую часть жизни лампочки сохраняют интенсивность свечения (от 40 до 60 Лм\Вт), но ближе к завершению срока поток снижается до 70% от изначального. Ртутные лампы высокого давления используют в освещении улиц и магистралей, складов, промышленных объектов и других мест, где важно получить много света при умеренном электропотреблении и простоте эксплуатации ламп.
Металлогалогенные лампы:
Это более совершенные лампы высокого давления, в колбе которых помимо инертного газа и ртути содержатся соединения металлов – натрий или йод. В охлажденном состоянии они покрывают стенки разрядной трубки, образуя тонкое покрытие. По мере повышения температуры эти вещества начинают испаряться и, распадаясь на ионы, образуют свечение.
Свет металлогалогенной лампы напрямую зависит от группы металлов в составе, поэтому не нуждается в люминофоре (например, натрий дает желтый оттенок, а таллий – слегка зеленоватый). В зависимости от формы различают рабочее положение лампочек: эллиптические лампы могут работать при любом наклоне, но приборы цилиндрического формата размещают горизонтально, чтобы не снизить эффективность (вообще на каждой лампе указан угол, в котором её можно эксплуатировать).
Инертный газ в такой лампе выступает буфером, который позволяет току свободно перетекать внутри прибора даже при низкой температуре воздуха. Технология МГ ламп не допускает потемнения колбы, характерного для ртутных источников (как результат оседания атомов вольфрама на поверхности стенок). Светоотдача вдвое превышает показатели ДРЛ и составляет до 90 Лм/Вт. Обладая компактной формой, металлогалогенные лампы создают мощный поток белого света и экономично расходуют электроэнергию.
Внутри группы различают 2 вида лампочек – общего и специального назначения, где последние отличает улучшенная цветопередача. МГ источники используют для освещения улиц (например натриевые лампы), спортивных сооружений и торговых помещений, ж/д станций, карьеров или теплиц. Создают подсветку объектов архитектуры, студийный и сценический свет, применяют на киносъемочных площадках и других местах, где необходимо получить яркий и качественный поток света.
Ксеноновые лампы:
Колбу источников наполняют чистым ксеноном, что позволяет получить наиболее яркий свет, очень близкий дневному. Вне зависимости от мощности ксеноновые лампы разгораются меньше, чем за 5 секунд. Это обеспечивает высокая плотность ксенона, которая остается постоянной даже в условиях резкого повышения температуры (при включении лампочки в сеть).
Ксеноновые лампы выпускают мощностью от 10 до 10 000 Вт. Поскольку в процессе работы колба лампы постоянно испытывает температурные перепады, ближе к завершению жизни ее стенки становятся более хрупкими. Под воздействием высокого давления осколки поврежденной лампы разлетаются с большой скоростью, поэтому при обслуживании желательно использовать защитные очки и перчатки.
Ксеноновые лампы отличаются высокой цветопередачей (98 единиц), поэтому их используют в проекторном и сценическом освещении, монтируют в оптические приборы и автомобильные фары. Для России в последнем случае необходима установка автоматической регулировки наклона и фароомывателей, чтобы ксеноновый свет не ослеплял встречный транспорт. Максимальный срок службы составляет 750 часов (зависит от типа источника).
Натриевые лампы:
Колбу натриевых ламп высокого давления (сокращённо – ДНАТ) производят из прозрачного термостойкого стекла, внутри которой размещают горелку из алюминия. Этот материал отлично справляется с высокими температурами, не подвергаясь разрушению, и пропускает почти 90% световой энергии. Помимо натрия разрядную трубку наполняют ртутью, аргоном или ксеноном, который помогает улучшить цветовой спектр лампочки. Современные модели выпускают без ртути, делая прибор чуть более безопасным для экологии.
Отличительная черта конструкции – наличие специальных прокладок. Они предотвращают попадание воздуха в горелку и сохраняют вакуум, обеспечивая безопасность эксплуатации (горелка нагревается до 1 300 °C, поэтому даже небольшое количество кислорода может привести к разрушению). Натриевые лампы работают в температурном диапазоне от +40 до -60 °C, сохраняя интенсивность светового потока. В первые минуты после включения светят слабо, поскольку для выхода на полную мощность требуют 5-7 минут на разогрев.
Натриевые лампы отличает высокая световая отдача – порядка 140-160 Лм/Вт, однако индекс цветопередачи остается низким (в пределах 44 Ra). За счет натрия в световом потоке преобладает желтый цвет, а ближе к завершению срока службы переходит в красный спектр. Лампы применяют в уличном и промышленном освещении.
| 30.01.2023 | Как выбрать светодиодную лампу |
| 15.01.2023 | Использование светодиодных ламп |
| 19.01.2022 | Газоразрядные лампы низкого давления |
| 03.01.2022 | Люминесцентные лампы для растений |
| 13.12.2021 | Плюсы и минусы энергосберегающих ламп |
| 18.08.2021 | Таблица мощности светодиодных ламп |
| 14.08.2021 | Разновидности ламп общего освещения |
| 14.11.2020 | Газоразрядные лампы для уличного освещения |
| 12.11.2020 | Газоразрядные лампы высокого давления |
| 14.09.2020 | Что такое лампы полного спектра |
| 19.08.2020 | Как выбрать галогенную лампу |
| 27.04.2020 | Использование ультрафиолетовых бактерицидных ламп для обеззараживания помещений |
| 06.03.2020 | Как выбрать энергосберегающую лампу |
| 01.03.2020 | Мифы о вреде люминесцентных ламп |
| 27.01.2020 | Ультрафиолетовые и инфракрасные лампы для рептилий |
| 21.01.2020 | Как выбрать дроссель в светильник |
| 15.01.2020 | Окупаемость светодиодных ламп |
| 11.01.2020 | Цветность (цветовая температура) ламп |
| 09.01.2020 | Классификация ламп. Какие лампы лучше? |
| 20.12.2019 | Как выбрать газоразрядную лампу |
| 14.12.2019 | О коэффициенте пульсации |
| 13.06.2019 | Таблица мощности энергосберегающих ламп |
| 24.05.2019 | Вредны ли для здоровья энергосберегающие лампы? |