Базовым элементом конструкции натриевых ламп является разрядная трубка [6], ее стоимость составляет 40-60 % от полной стоимости лампы. Существующие методы контроля качества разрядных трубок визуально, по напряжению горения разряда явно недостаточны для оценки их качества. По этим данным нельзя судить о давлении буферного газа, а, следовательно, выявить некачественные трубки и тем самым исключить дальнейшую сборку потенциально негодных ламп.
Одним из факторов, влияющих на электрические и световые характеристики, и срок службы ламп, является изменение давления и состава наполняющего газа. Изменение давления и состава газа может происходить в процессе отпайки штенгеля от вакуумной системы, тренировки ламп, сорбции газа элементами конструкции [7], а также вследствие наличия дефектов на поверхности и в объеме оболочек разрядных трубок. Кроме того, изменение давления в разрядной трубке сказывается на величине напряжения зажигания лампы.
Ниже предлагается экспресс-метод определения давления инертного газа в натриевых лампах высокого давления. Метод основан на возбуждении в поперечном сечении разрядной трубки вспомогательных низкочастотных разрядов.
Анализ методов контроля давления газа в газоразрядных приборах
Известен спектральный метод определения давления аргона в люминесцентных лампах [2], 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 [5]. 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. 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, необходима модуляция 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 исчезновение заряженных частиц идет не за счет их рекомбинации в объеме лампы, а по причине 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 изобретении [1] описан способ определения давления в лазерных трубках с тлеющим и дуговым разрядами. Для этого в приборе разрядный ток модулируют высокочастотным напряжением (рис.1). Давление газа определяется по измеренной величине переменной составляющей тока.
Рис. 1. Схема установки для измерения давления газа в лазерных трубках: 1 - разрядная трубка; 2 - блок питания; 3 - генератор, 4 - вольтметр; 5 - нагрузочное сопротивление
Недостатком способа является ограниченный диапазон измеряемых давлений.
Схема устройства для определения давления буферного газа в разрядных трубках
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 рис. 2 приведена схема устройства [4], которая реализует предложенный метод. Она содержит четыре внешних электрода - 1, 2 и 3, 4, которые контактируют с поверхностью лампы 5. Для возбуждения разряда между электродами к ним прикладывается напряжение, снимаемое с обмоток 6 и 7 трансформатора 8. Постоянные по величине значения токов вспомогательных разрядов поддерживаются резисторами 9 и 10. Контроль токов осуществляется микроамперметрами 11 и 12.
Рис. 2. Схема устройства для определения давления в разрядной трубке
Измерения проводятся на частоте f переменного напряжения, при которой активная проводимость плазмы sП значительно больше проводимости sК конденсаторов, образованных двумя внешними электродами и внутренней поверхностью стенки лампы толщиной h и относительной диэлектрической проницаемостью e:
. (1)
Активная проводимость плазмы вспомогательного разряда в области низких частот
, (2)
где e - заряд электрона; ne - концентрация электронов; m - масса электрона; n - частота упругих столкновений электронов с атомами газа.
Проводимость плоского конденсатора на частоте f переменного тока определяется по формуле
, (3)
гдеe0 - электрическая постоянная; S - площадь вспомогательного электрода.
Подставляя соотношения (2) и (3) в формулу (1), получим:
. (4)
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.
Методика определения давления в разрядных трубках натриевых ламп
Давление в разрядных трубках находится следующим образом.
- К трансформатору 8 прикладывается напряжение, снимаемое с генератора 15, и возбуждается разряд между внешними электродами 1, 2 и 3, 4.
- С помощью резисторов 9 и 10 токи разрядов, протекающие между электродами 1, 2 и 3, 4, устанавливаются равными 1,2 мкА.
- 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.
- По измеренному напряжению пробоя из графика на рис. 3 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 4x6 мм, изготовленными из никелевой фольги и расположенными вдоль ее оси на расстоянии 30 мм друг от друга. В схеме применен повышающий трансформатор 8 с коэффициентом трансформации между обмотками 6, 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 15.
Рис. 3. Зависимость напряжения пробоя между вспомогательными электродами от давления газа
Выводы
- Разработан и практически осуществлен метод контроля давления в разрядных трубках натриевых ламп на стадии их изготовления, что исключает сборку потенциально негодных ламп и их поступление к потребителю.
- Метод позволяет упростить измерительную схему, методику измерений и сделать ее доступной для экспресс-контроля давления в заводских и лабораторных условиях.
- Погрешность измерения давления буферного газа в разрядных трубках не превышает 3 %.
Рецензенты:
Маргулис В.А., д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой теоретической физики, НИ МГУ им. Н.П. Огарева, г. Саранск;
Кузьмичев Н.Д., д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой общенаучных дисциплин, НИ МГУ им. Н.П. Огарева, г. Саранск.
Библиографическая ссылка
Свешников В.К., Куренщиков А.В., Васильченко В.Г. ЭКСПРЕСС-МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА В РАЗРЯДНЫХ ТРУБКАХ НАТРИЕВЫХ ЛАМП // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=15276 (дата обращения: 16.04.2024).