Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ литературных данных касающихся оптических и электрических.явлений в приэлектродных областях разрядных источников света 12
1.1. Оптические и электрические явления на катоде и в прикатод-ной области разрядных источников света 13
1.1.1. Взрывная электронная эмиссия - причина свечения паров катодного материала 15
1.1.2. Взрывная электронная эмиссия в приборах электронной техники и пространственно-временная картина свечения 16
1.2.Оптические и электрические явления на аноде и в прианодной области разрядных источников света 23
1.3. Зажигание разряда и динамика излучения катода и прикатод-ной области в разрядных источниках света 27
1.4. Эмиссионные материалы и типы термоэмиссионных катодов. 32
1.5. Зондовый метод исследования характеристик плазмы 35
1.6. Фотоэлектрический способ измерения температуры электродов в разрядных источниках света 38
1.7.Постановка задачи 44
Глава 2. Экспериментальные установки, образцы и методики исследований 46
2.1. Установка для исследования модуляции проводимости при- электродной области разрядных источников света 46
2.2. Установка для исследования взрывной электронной эмиссии в разрядных источниках света 49
2.3.Установка и методика зондовых измерений 50
2.4.Установка для исследования модуляции излучения в видимой и инфракрасной области спектра 54
2.5.Экспериментальные образцы разрядных источников света низкого давления 56
2.6.Экспериментальные образцы разрядных источников света высокого давления 61
Выводы по главе 2 63
Глава 3. Модуляция излучения и проводимости прикатодной области 64
3.1.Пороговые токи взрывной электронной эмиссии в разрядных источниках света высокого давления 65
3.2. Пороговые токи взрывной электронной эмиссии в разрядных источниках света низкого давления 74
3.3.Влияние напыления эмиссионного материала на распределение интенсивности излучения вдоль электрода разрядных источников света 78
3.4. Устройства питания ламп высокого давления постоянным током реализующие механизм взрывной электронной эмиссии 86
3.5.Устройства питания компактных люминесцентных ламп постоянным током реализующие механизм взрывной электронной эмиссии 91
Выводы по главе 3 96
Глава 4. Модуляция излучения и проводимости прианодной области 97
4.1 .Зависимость величины анодного падения потенциала от площади анода и величины разрядного тока 98
4.2. Механизм модуляции проводимости в прианодной области 104
4.3.Локализация излучения прианодной области при анодных колебаниях 107
Выводы по главе 4 111
Глава 5. Модуляция проводимости и характеристики излучения зоны катодного пятна люминесцентных ламп на переменном токе 113
5.1. Тепловое излучение и динамические температурные характеристики электродов разрядных источников света 113
5.2. Фотоэлектрический способ определения теплоёмкости области катодного пятна и других участков электрода в разрядных источниках света 117
5.3. Модуляция излучения, проводимости и доли ионного тока в катодном пятне разрядных источников света 124
Выводы по главе 5 131
Заключение 133
Список литературы 135
- Взрывная электронная эмиссия - причина свечения паров катодного материала
- Установка для исследования взрывной электронной эмиссии в разрядных источниках света
- Пороговые токи взрывной электронной эмиссии в разрядных источниках света низкого давления
- Механизм модуляции проводимости в прианодной области
Введение к работе
На долю современных разрядных источников света в экономически развитых странах мира, приходится более 80% вырабатываемого светового потока, в будущем эта доля будет возрастать.
Принято считать, что приэлектродные области разрядных источников света определённым образом влияют на оптические и электрические характеристики газового разряда.
При зажигании разрядных источников света было отмечено, что процесс перехода из тлеющего в стационарный дуговой разряд проходит через состояние с быстро перемещающимися светящимися пятнами, характерными для-«холодного катода» [1]. Однако, механизм-этого явления, применительно к катодной области разрядных источников света, не рассматривался.
Известно, что подобные пятна на «холодных» катодах наблюдались как в условиях вакуума, так и в газовом разряде [2,3]. В [2] указывается, что плот-ность эмиссионного тока в этих пятнах чрезвычайно высока (10-10 А/см ),. однако механизм явления не раскрывается. Подобные плотности токов эмиссии наблюдались в [4-11]. Для объяснения авторами был предложен механизм взрывной электронной эмиссии (ВЭЭ).
Как самостоятельный вид эмиссии, ВЭЭ, выделена относительно недавно [12], и до сих не имеет окончательной физической интерпретации. Экспериментальный факт состоит в том, что интенсивная эмиссия электронов возникает в результате взрывного перехода локальных микроскопических участков катода в плотную плазму при их перегрузке собственным автоэмиссионным током. Интенсивность процесса ВЭЭ на порядки превосходит интенсивность эмиссии наиболее эффективных термокатодов. Этот факт стал основой того, что на базе ВЭЭ возникло новое научно-техническое направление, связанное с получением
сильноточных электронных пучков - сильноточная эмиссионная электроника [11].
Взрывная электронная эмиссия происходит при высоких напряжённостях электрического поля(Е ~ 105 В/см). Такие условия реализуются в газоразрядных приборах, в том числе в разрядных источниках света при их зажигании, в газоразрядных стартёрах при генерировании высоковольтного импульса. При зажигании разрядных источников света резко изменяется проводимость прика-тодной области и всего газоразрядного промежутка. Можно,предположить, что одним из физических явлений, существенно влияющим на~ электропроводность, прикатодной области разрядных источников света, является ВЭЭ.
Механизмы изменения проводимости прианодной области в источниках света, сопровождаемые возникновением импульсов излучения, также слабо исследованы. Модуляция излучения и проводимости в этой- области проявляется в периодическом возникновении световых импульсов, изменении анодного падения напряжения; при этом амплитуда колебаний анодного падения достигает' величин, равных потенциалу ионизации наполняющего лампу газа [13]. Однако, влияние состава и давления газового наполнения, а также влияние конструктивных параметров анода на процесс модуляции излучения и проводимости исследованы недостаточно. Актуальность изучения процессов генерирования импульсного излучения, возникающего в прианодной области, определяется возможностью использования этого явления при разработке импульсных источников света;
Модуляция проводимости прианодной области разряда в люминесцентных лампах (ЛЛ), работающих на переменном токе, оказывает влияние на оптические и электрические характеристики катодного пятна (КИ). При возникновении анодных колебаний, тепловое излучение области КП в анодный полупериод уменьшается, изменяется характер свечения и доля ионного тока приходящего в КП в катодный полупериод. Однако связь этих характеристик с эксплуатационными параметрами разрядных источников света не учитывалась.
7 Актуальность проведенных исследований определяется важностью полученной информации о процессах модуляции излучения и проводимости при-электродных областей в разрядных источниках света, что необходимо для улучшения их рабочих характеристик.
Цель работы и основные задачи.
Целью диссертационной работы является исследование модуляции излучения и проводимости приэлектродной области в разрядных источниках света, включающее в себя исследование условий возникновения взрывной электронной эмиссии на катоде, характеристик модуляции излучения и проводимости прианодной области, их влиянию на эксплуатационные характеристики разрядных источников света, а также спектроскопическое исследование приэлектродной плазмы.
Были поставлены следующие научно-технические задачи:
Создать установку для измерения электрических, и оптических характеристик приэлектродной области разрядных источников света.
Экспериментально исследовать оптические и электрические характеристики взрывной электронной эмиссии в разрядных источниках света.
Провести исследование спектральных характеристик приэлектродной области разряда в процессе зажигания и стационарного горения в разрядных источниках света.
Исследовать зависимость оптического излучения в прианодной области и анодного падения напряжения от конструкции анода, состава газового наполнения и электрических характеристик разряда
Обосновать теоретически и предложить методику регистрации изменений температуры электрода с использованием его излучения в инфракрасной (ИК) области спектра.
8 6. Обосновать возможность и предложить конструкции пускорегулирующих
устройств, для ламп высокого и низкого давления, работающих на постоянном токе и при холодном зажигании обеспечивающих продолжительный срок службы.
Объект и методы исследования.
Основным объектом исследования являются разрядные источники света, их электроды и приэлектродная плазма.
Для исследования оптических и электрических характеристик электродов и приэлектродной плазмы использовались различные методы:
Спектральный метод регистрации быстропротекающих процессов в приэлектродной плазме.
Зондовыи метод для измерения потенциала плазмы, а также для измерения скорости распыления эмиссионного покрытия катода.
Фотоэлектрический метод измерения приращения температуры электрода, в различных его областях, по ИК излучению.
Научная новизна:
Впервые показано, что в процессе «холодного» зажигания разрядных источников света реализуется механизм взрывной электронной эмиссии (ВЭЭ).
Установлено, что местом локализации импульсов оптического излучения при анодных колебаниях в люминесцентных лампах является область между стенкой колбы и сетевым вводом.
Впервые показано, что при возникновении анодных колебаний тепловое излучение с поверхности анода уменьшается.
Предложен механизм, объясняющий развитие пробоев и возникновение излучения в прианодной области для разряда в смеси аргона со ртутью для
9 давлений, характерных для люминесцентных ламп.
5. Предложен способ вычисления теплоёмкости области катодного пятна в разрядных источниках света, работающих на переменном токе по его тепловому излучению.
6т Предложен способ вычисления изменения ионной составляющей тока на катоде, при работе разрядного источника света на переменном токе, используя распределение ИК излучения по периоду.
Практическая ценность.
Разработаны установки- для измерения электрических, спектральных, температурных характеристик разрядных источников света.
Предложенный метод динамических температурных характеристик, основанный на регистрации теплового излучения, позволяет оптимизировать конструкцию электродов разрядных источников света.
Результаты работы позволяют рекомендовать для применения в ЛЛ малогабаритные синтерированные катоды.
Предложен источник частотно-модулированного импульсного излучения, возникающего при модуляции проводимости прианодной области.
Предложен способ повышения срока службы люминесцентных ламп при «холодных» зажиганиях, заключающийся в том, чтобы перед отключением лампа работала в стационарном режиме не менее 15-20мин.
Определены конструкции пускорегулирующих устройств для ламп высокого и низкого давления, работающих на постоянном токе и при холодном зажигании обеспечивающих продолжительный срок службы.
Основные научные положения и результаты выносимые на защиту.
1. Установлено, что возникающие в процессе «холодного» зажигания разрядных источников света светящиеся пятна на катоде, возникают благодаря
10 взрывной электронной эмиссии. Спектральные характеристики излучения
при этом определяются материалом катода. Минимальный ток ВЭЭ зависит от конструкции ламп, эмиссионного вещества электродов, а также от состава газового наполнения.
Распределение излучения ртути вдоль анода ЛЛ указывает на то, что при наличии анодных колебаний ток притекает на анод в основном со стороны стенки лампы ближней к сетевому вводу. Анодное падение в ЛЛ не превышает потенциала ионизации ртути и существенно не меняется- при уменьшении площади анода до 25 мм и его увеличении до диаметра газоразрядной трубки. При возникновении анодных колебаний-тепловое излучение анода уменьшается. Частота импульсов света, генерируемого в при-анодной области, растёт при увеличении силы тока.
Излучение приэлектродной области в разрядных источниках света модулируется как протекающим током, так и магнитным полем. Исследование модуляции излучения в широкой области спектра позволяет раскрыть физические основы работы электродов разрядных источников света — механизмы переноса вещества эмиттера, механизмы электронной эмиссии.
Получены расчетные формулы для описания ИК сигнала, генерируемого электродом ЛЛ, это позволяет определить изменения температуры, доли ионного тока, значение теплоёмкости катодного пятна.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Межрегиональной научной школе для студентов и аспирантов, «Материалы нано-, микро-, и оптоэлектроники: физические свойства и применение», Саранск, 2005-2007; X научной конференции молодых учёных, аспирантов и студентов МГУ им. Н.П. Огарёва, «Естественные и,технические науки», Саранск, 2005; VI Международной Светотехнической конференции, Калининград - Светлогорск,
2006; IV Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики», Саранск, 2006; V Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики полупроводников и источников света», Саранск, 2007, V Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики», Саранск, 2007.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, включающих 2 патента, а также статьи в отечественных журналах, сборниках трудов конференций и совещаний (3 статьи опубликованы в журналах, рекомендованных ВАКом).
Объём работы.
Диссертационная работа состоит их введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Объём диссертации 145 страниц, включающих 63 рисунка и 6 таблиц. Список литературы содержит 117 наименований.
1.АНАЛИЗ ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ КАСАЮЩИХСЯ ОПТИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В ПРИЭЛЕКТРОДНЫХ ОБЛАСТЯХ РАЗРЯДНЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА.
В основной массе газоразрядных источников света используется дуговой разряд [13-19], так как в этом случае катодное падение напряжения* может быть весьма малым, его роль в балансе энергии лампы становится незначительной. Лампы дугового разряда могут быть выполнены на стандартные рабочие напряжения. В дуговом разряде при небольших и средних плотностях тока и невысоких давлениях свечение катода, не имеет практического значения и источником излучения в основном является положительный столб. Это особенноярко проявляется в люминесцентных лампах (ЛЛ). При повышении давления наполняющего газа или паров»металла прикатодная область постепенно сокращается и при, так называемых, высоких давлениях (более 3-Ю4 Па) [15] для дуговых ртутных ламп (ДРЛ), натриевых ламп высокого давления (ДНаТ), металлогалогенных ламп (МГЛ) составляет доли миллиметра. Этопозволяет получить высокие параметры излучения при малых расстояниях, между электродами. При сверхвысоких давлениях (более 10б Па) высокие значения световой отдачи получают при очень малых расстояниях между электродами, при этом с уменьшением расстояния между электродами значительно увеличивается яркость шнура разряда. С ростом давления и плотности тока образуется изотермическая плазма, в излучении которой преобладают нерезонансные спектральные линии.
Как отмечалось в [20] электроды являются жизненно важными элементами разрядных источников света. Они обеспечивают существование разряда в заданных условиях, надёжность его зажигания и срок службы лампы.
Интенсивные процессы взаимодействия электродов с плазмой и их раз-
13 рушение, происходят при нестационарных режимах, связанных с формированием приэлектродных частей разряда и изменением теплового режима на электродах. К таким условиям относятся процессы зажигания самостоятельного разряда, переходы разряда из одной формы в другую, перезажигания разряда на переменном токе [21]. Изменение условий работы электродов происходит достаточно динамично в дуговых ртутных разрядах высокого и низкого давления [22].
Разрядные источники излучения работают как на переменном, так и на постоянном токе. На постоянном токе функции катода и анода разделены, на переменном токе каждый электрод выполняет функции и катода и анода.
В.подводящих проводах и в материале электрода весь ток переносится электронами. Чтобы попасть в плазму, электроны должны выйти из катода, преодолев потенциальный барьер. На границе с плазмой электронный ток, протекающий в веществе катода, уравнивается суммарным током ионов и электронов в прикатодной области плазмы. На другом конце разрядного промежутка — в прианодной области электронный ток притягивается к границе анодной оболочки как за счет диффузии, благодаря наличию градиента концентраций, так и за счет электрических полей.
І.І.Оптические и электрические явления на катоде и в прикатодной области разрядных источников света.
При рабочей температуре катод имеет определенную термоэлектронную эмиссию при нулевом электрическом поле. Эта способность эмиттировать электроны усиливается (от 2 до 100 раз) под действием ускоряющих полей на поверхности катода [23]. Это ускоряющее поле создается ионным пространственным зарядом в катодной оболочке и, следовательно, увеличивается при наличии ионного тока на катод.
14 Ионы, достигающие катода, образуются в области отрицательного свечения электронами, ускоренными катодным падением (оно создается на катодной пленке) и «инжектируемыми» в отрицательное свечение с энергией, приблизительно равной полному катодному падению. Ионы, образованные в области отрицательного свечения, в свою очередь отличаются по энергии от электронов, ускоренных катодным падением. Ионы, достигающие катода, бомбардируют его с почти полной энергией катодного падения. Энергия, подводимая ионами к катоду, занимает большую долю в балансе энергии катода, и, следовательно,.эта энергия является-определяющей температуру катода.
Таким образом, основной определяющей ролью катодного падения и температуры катода является создание суммарного общего тока, состоящего из эмиссионного электронного тока (термоэлектронная эмиссия при температуре Тк увеличенная,за счет ускоряющего поля, создаваемого положительными ионами) и ионного тока.
При горении стационарного дугового разряда в разрядных источниках света основная масса электронов выбивается из катодного пятна катодаї [15,24]. Визуально катодное пятно представляет собой светящуюся точку, с которой начинается светящаяся катодная часть разряда. Катодных пятен может быть несколько. Катодное пятно на самокалящихся катодах расположено на небольшой части их поверхности и перемещается по ней по мере расходования оксида. При высоких плотностях тока это приводит к высоким местным тепловым нагрузкам материала катода. Так как для снижения катодного падения при дуговом разряде приходится применять сложные катоды, то обеспечение возможности работы,их при таких нагрузках требует применения специальных конструкторских решений. Катоды дуговых ламп весьма разнообразны по конструкции и могут быть разделены на катоды ламп низкого, высокого и сверхвысокого давления.
15 1.1.1 .Взрывная электронная эмиссия — причина свечения паров
катодного материала.
Впервые для объяснения эмиссии электронов в дуге Штарком была привлечена гипотеза о её термоэлектронном характере [2]. Однако применение этой теории к дугам, горящим на металлических электродах, связано с рядом затруднений: а) большинство металлов весьма трудно нагреть до температур порядка (4-6)-10 К, при которых достигаются плотности тока в катодном пятне до 10б А/см2; б) давление паров для- большинства металлов при температурах, когда возможна необходимая термоэлектронная эмиссия, должно достигать сотен и тысяч атмосфер [25]; в) невозможность объяснения высоких скоростей перемещения катодного пятна по поверхности катода ввиду значительной инерционности процесса нагрева материала катода. Объяснить эти результаты удалось с позиций взрывной электронной эмиссии.
Взрывной электронной эмиссией (ВЭЭ) называют испускание электронного тока с поверхности проводника, являющегося катодом, вследствие взрыва микроскопического объема на его поверхности. Взрыв микрообъема металла и возбуждение ВЭЭ может происходить по различным причинам: при ударе о катод кусочка вещества, ускоренного до большой скорости, воздействии на катод мощного импульса лазерного излучения пли пучка заряженных или нейтральных частиц, например ионов, и т.д. Однако наиболее распространенный способ возбуждения ВЭЭ - быстрый нагрев микроучастков катода электрическим током большой плотности. Простейшим примером такого тока является ток автоэлектронной эмиссии (АЭЭ) с катодных микровыступов, плотность которого при достаточно высоких электрических полях может достигать 10 А/см [10]. ВЭЭ инициируется не только током АЭЭ, но может происходить также за счет других процессов.
Как указывалось в [10]: "Поверхность катода не идеальна, обладает шероховатостью, выступы на катоде являются источниками АЭЭ из-за локального усиления поля на них,... появление на катоде отдельных ярких пятен
можно связать со взрывом выступов,...свечение на аноде связано с процессами под воздействием электронного пучка, который вытягивает из плазмы, образуемой из паров катодного материала". Таким образом, в работе [10] был очерчен круг явлений, которые сейчас называются взрывной электронной эмиссией. Эти процессы характеризуются большой концентрацией плазмы (до 10 см' ) в катодной части зоны эмиссии, сильной ее неоднородностью в-малых объемах (10" см" ), малым временем протекания процессов (10"10 — 10"8 с), большой плотностью тока накатоде (108 А/см2).
Эмиссия электронов длится обычно в течение Ю-9 - 10"8 с, а затем прекращается сама по себе, так как взрывной центр самоохлаждается из-за теплопроводности, уменьшения плотности тока, выброса нагретого металла. Для возбуждения лавины заряженных частиц нужна удельная энергия в микрообъеме катода больше, чем энергия сублимации (более 104 Дэ/с/г) при общей
энергии 10" Дж.
1.1.2. Взрывная электронная эмиссия в приборах электронной техники и пространственно-временная картина свечения.
Одно из первых применений явления взрывной электронной эмиссии -генерирование электронных пучков в вакуумных диодах с ненакаливаемыми катодами [26]. В качестве катода использовались металлические острия либо торцы трубок из вольфрамовой фольги [27-29]. Наряду с простотой конструкции такого электронного диода, важной его особенностью являлась возможность формирования короткого пучка с высокой плотностью тока электронов. В ускорителях электронов при длительностях импульса, значительно меньших 1 не, можно получить ток в диоде, превышающий 1 кА, без перекрытия плазмой вакуумного промежутка при расстоянии анод - катод 0,1-0,2 мм и обеспечить тем самым большую плотность тока на аноде без применения специальных фокусирующих устройств. Например, в случае острийного катода средняя плотность тока на аноде достигала более 1 МА-см" при диа-
17 метре пучка 0,2-0,3 мм, а в центральной области пучка она превышала 10 MA-см" [30]. Соответственно, максимальная плотность мощности пучка на аноде превышала 1012 Вт-см"2.
Взрывная эмиссия электронов и лавины заряженных частиц играют фундаментальную роль в вакуумных искрах и дугах, в разрядах низкого давления, в сжатых и высокопрочных газах, в микропромежутках и т.д., т.е. там, где имеет место высокое электрическое поле на поверхности катода.
Вакуумные электронные диоды со взрывоэмиссионными катодами широко используются для*создания мощных источников пикосекундных импульсов тормозного излучения с характерной энергией квантов 105-10б эВ-и выше (см., например, [31-32]). Пикосекундные рентгеновские источники интересны прежде всего тогда, когда необходима большая мощность дозы и острый фокус излучения, а спектр излучения может быть широким. Как отмечалось, при длительности импульса в сотни пикосекунд в вакуумном диоде плоской геометрии^ на аноде достигаются высокие плотности тока, т.е. рентгеновский фокус такой трубки может иметь диаметр 200 - 300 мкм [33], а рассеиваемая в материале анода энергия при-этом невелика из-за малой длительности импульса.
Созданные высоковольтные импульсные генераторы на основе ВЭЭ [34] позволили провести серию исследований по формированию замагниченных сильноточных электронных пучков с длительностью менее 1 нс. Такие пучки формируются в коаксиальном магнитоизолированном диоде, представляющем собой приосевой катодный и охватывающий его трубчатый анодный электроды [34]. Эмиттером электронов является торец и прилегающая* цилиндрическая поверхность катода, где электрические поля много больше, чем в однородной части коаксиальной линии, и могут достигать единиц МВ-см"1.
Взрывная электронная эмиссия реализуется во многих типах вакуумных и газоразрядных приборов. В" стартере тлеющего разряда (приборе, ис-
18 пользуемом для зажигания газоразрядных ламп) — взрывная электронная эмиссия также реализуется. Доказательства этому приведены в [35-43].
На рис. 1.1 представлены осциллограммы тока (2) и напряжения (1) на стартере 80С—220-2 при однократном разрыве контактов в типовой схеме включения газоразрядных ламп. На осциллограмме видно наличие резких изменений напряжения - пробоев. Пробои возникают многократно даже после одного разрыва контактов стартера и^ продолжаются до тех пор, пока не израсходуется энергия, накопленная в магнитном поле дросселя. Максимальная амплитуда импульсов Umax ограничивается напряжением пробоя - напряжением перехода аномального тлеющего разряда в низковольтную форму.
Исследования специально изготовленных стартеров показали, что при каждом таком пробое происходит переход от катодного слоя с равномерной эмиссией со всего катода к слою в котором эмиссия электронов с малого участка обеспечивает ток в столбе на площади, значительно превосходящей площадь эмиттирующего участка-поверхности катода - тлеющий разряд переходит в дуговой.
Время существования дуги - доли микросекунды. Место локализации катодного пятна - место спая электрода со стеклом. В спектре излучения пятна присутствуют интенсивные линии, соответствующие спектру материала электрода, а также дублет Na, входящего в состав стекла (рис. 1.2). Видимо, покрытие электрода натрием, диффундирующим из стекла, снижает его работу выхода. О влиянии Na на характеристики оксидного катода указывается в [44-47].
Объяснение возникновения пробоев в стартёре можно дать с позиции возникновения взрывной электронной эмиссии (ВЭЭ) [48]. Установлено, что электроны проводимости, перенося электрический ток, приносят из глубины
Рис.1.1.
Осциллограммы импульса, генерируемого в дроссельной схеме включения
газоразрядного стартера 80С-220-2; 1- напряжение на стартере - 600 В/дел,
2 - ток в дросселе - 0,5А/дел, развертка - 0,2 мс/дел.
Стрелкой отмечен момент разрыва контактов стартера.
М,отн.вд
/
/
120 Кмкс
Рис. 1.2.
Временные зависимости: а) напряжения на стартёре; б) интенсивности линии
Не (587,5нм) в области 1; в) интенсивности линии Na (589нм) в области 2
(стрелками указано напряжение возникновения пробоя)
20 катода к границе эмиссии среднюю энергию на один электрон, близкую к энергии Ферми. Электроны эмиссии, при достаточно больших полях у катода, уносят с катода среднюю энергию на один электрон, меньшую энергии Ферми. В результате в катоде вблизи границы эмиссии накапливаются горячие электроны, что обеспечивает локальный разогрев катода. Это приводит, в свою очередь, к локальному увеличению электросопротивления и бурному выделению джоулева тепла, что является второй составляющей теплового разрушения. При высоких плотностях тока (10 А/см и выше) процесс может быть настолько интенсивным, что приводит к взрывообразному разрушению отдельных участков катода. Из продуктов эрозии катода образуется- прика-тодная плазма, то есть газ, состоящий из электронов и ионов различной кратности заряда. Температура электронов Те = (4—5) 104 К, температура ионов Т, = 1-10 К. Прикатодная плазма распространяется в межэлектродный промежуток со скоростью v = (1-2) 106 см/с. Эта скорость слабо зависит от приложенной межэлектродной разности потенциалов и материала катода.
Концентрация электронов в этой плазме высока, энергия связи их с положительными ионами мала, что обеспечивает высокую эмиссию электронов (плотность тока на несколько порядков выше других видов электронной эмиссии) из этого сгустка плазмы. Длительность процесса эмиссии мала (порядка нескольких микросекунд). Расчет показал, что при расходе вещества катода - 40 мкг/Кл [11] за один пробой испаряется, в нашем случае 4 10"10 г вещества электрода. Для испарения 0,1 мм (1 мг) вещества электрода (10% массы электрода) нужно более 10 пробоев, поэтому при ресурсе стартера в 10000 контактирований его работоспособность ограничивается не пробоями^ 1].
Зависимость максимальной амплитуды импульса Umax от давления наполняющего стартер газа для Не и Ne приведена на рис. 1.3 (в качестве катода включен электрод без биметалла) [41]. Стартеры по конструкции не отличались от стартеров 80С-220-2, измерения проводились по методике [49].
20 „ 40
P, мм рт. ст.
Рис. 1.3.
Зависимость амплитуды высоковольтного импульса от давления газового
наполнения в несимметричных стартерах с бусинкой:
1) Не 100%; 2) смесь 50%Ne+50%He; 3) Nel00%.
Анализ данных графиков, указывает на закономерность: чем больше давление газа в стартере, тем ниже его «пробивное» напряжение, чем легче газ тем больше максимальная амплитуда импульса Umax.
Известно, что в тлеющем разряде произведение давления газа р на длину темного катодного пространства 4 есть величина постоянная для данного сорта газа [24]:
plk= const (1.1)
Учитывая, что:
Е -^
(1.2)
здесь Епр - напряженность поля, при котором возникает ВЭЭ, Unp - пробивное напряжение, 4 - длина темного катодного пространства, рассчитаем напряженность поля при пробое стартеров, наполненных Не.
Величину 4 можно вычислить из выражения (1.1). Согласно [9] находим для Не: plk - 1,3; для Ne: plk - 0,72 . Таким образом:
U„-p
1. Для стартеров, наполненных Не имеем: Епр = —f-— (1.3)
а) лр = 5,5 104 В/см (30 мм рт. ст.)
б) Епр = 5,2 104 В/см (40 мм рт. ст.)
в) .Еир = 5,0 104В/см (50 мм рт. ст.)
2. Для стартеров, наполненных Ne имеем: Епр = "р (1.4)
а) Епр = 4,6-104 В/см (20 мм рт. ст.)
б) Епр = 5,4 104В/см (30 мм рт. ст.)
в) Епр = 5,8 104В/см (40 мм рт. ст.)
г) Епр = 5,9 104 В/см (50 мм рт. ст.)
Таким образом, пробой в стартерах, наполненных как гелием, так и неоном происходит приблизительно при одной и той же напряженности электрического поля: Епр ~ 5-104 В/см.
Как показано в [48] для того, чтобы на гладкой металлической поверхности получить «пробойную» плотность тока требуется приложить электрическое поле: Ек >3,0-4-4,0Ли В/см. Полученные нами результаты по напряженности поля пробоя меньше на порядок теоретических данных.
Данное расхождение можно объяснить, основываясь на усилении электрического поля на микровыступах, обязательно присутствующих даже на полированных поверхностях электродов [10]. Если на поверхности электродов имеется микровыступ, электрическое поле вокруг него усиливается в 10 и более раз. В этом случае требуемое среднее поле для достижения пробоя
станет в 10 раз меньше, т.е: Ек ^3,04-4,0-105 В/см. Это достаточно близко с данными, полученными нами.
Таким образом, физический механизм, ограничивающий амплитуду высоковольтного импульса, генерируемого в стартернои схеме включения газоразрядных ламп по нашим данным является взрывная электронная эмиссия в газоразрядном стартере [41].
Взрывная электронная эмиссия - причина свечения паров катодного материала
Впервые для объяснения эмиссии электронов в дуге Штарком была привлечена гипотеза о её термоэлектронном характере [2]. Однако применение этой теории к дугам, горящим на металлических электродах, связано с рядом затруднений: а) большинство металлов весьма трудно нагреть до температур порядка (4-6)-10 К, при которых достигаются плотности тока в катодном пятне до 10б А/см2; б) давление паров для- большинства металлов при температурах, когда возможна необходимая термоэлектронная эмиссия, должно достигать сотен и тысяч атмосфер [25]; в) невозможность объяснения высоких скоростей перемещения катодного пятна по поверхности катода ввиду значительной инерционности процесса нагрева материала катода. Объяснить эти результаты удалось с позиций взрывной электронной эмиссии.
Взрывной электронной эмиссией (ВЭЭ) называют испускание электронного тока с поверхности проводника, являющегося катодом, вследствие взрыва микроскопического объема на его поверхности. Взрыв микрообъема металла и возбуждение ВЭЭ может происходить по различным причинам: при ударе о катод кусочка вещества, ускоренного до большой скорости, воздействии на катод мощного импульса лазерного излучения пли пучка заряженных или нейтральных частиц, например ионов, и т.д. Однако наиболее распространенный способ возбуждения ВЭЭ - быстрый нагрев микроучастков катода электрическим током большой плотности. Простейшим примером такого тока является ток автоэлектронной эмиссии (АЭЭ) с катодных микровыступов, плотность которого при достаточно высоких электрических полях может достигать 10 А/см [10]. ВЭЭ инициируется не только током АЭЭ, но может происходить также за счет других процессов.
Как указывалось в [10]: "Поверхность катода не идеальна, обладает шероховатостью, выступы на катоде являются источниками АЭЭ из-за локального усиления поля на них,... появление на катоде отдельных ярких пяте можно связать со взрывом выступов,...свечение на аноде связано с процессами под воздействием электронного пучка, который вытягивает из плазмы, образуемой из паров катодного материала". Таким образом, в работе [10] был очерчен круг явлений, которые сейчас называются взрывной электронной эмиссией. Эти процессы характеризуются большой концентрацией плазмы (до 10 см ) в катодной части зоны эмиссии, сильной ее неоднородностью в-малых объемах (10" см" ), малым временем протекания процессов (10"10 — 10"8 с), большой плотностью тока накатоде (108 А/см2).
Эмиссия электронов длится обычно в течение Ю-9 - 10"8 с, а затем прекращается сама по себе, так как взрывной центр самоохлаждается из-за теплопроводности, уменьшения плотности тока, выброса нагретого металла. Для возбуждения лавины заряженных частиц нужна удельная энергия в микрообъеме катода больше, чем энергия сублимации (более 104 Дэ/с/г) при общей энергии 10" Дж.
Одно из первых применений явления взрывной электронной эмиссии -генерирование электронных пучков в вакуумных диодах с ненакаливаемыми катодами [26]. В качестве катода использовались металлические острия либо торцы трубок из вольфрамовой фольги [27-29]. Наряду с простотой конструкции такого электронного диода, важной его особенностью являлась возможность формирования короткого пучка с высокой плотностью тока электронов. В ускорителях электронов при длительностях импульса, значительно меньших 1 не, можно получить ток в диоде, превышающий 1 кА, без перекрытия плазмой вакуумного промежутка при расстоянии анод - катод 0,1-0,2 мм и обеспечить тем самым большую плотность тока на аноде без применения специальных фокусирующих устройств. Например, в случае острийного катода средняя плотность тока на аноде достигала более 1 МА-см" при диаметре пучка 0,2-0,3 мм, а в центральной области пучка она превышала 10 MA-см" [30]. Соответственно, максимальная плотность мощности пучка на аноде превышала 1012 Вт-см"2.
Взрывная эмиссия электронов и лавины заряженных частиц играют фундаментальную роль в вакуумных искрах и дугах, в разрядах низкого давления, в сжатых и высокопрочных газах, в микропромежутках и т.д., т.е. там, где имеет место высокое электрическое поле на поверхности катода.
Вакуумные электронные диоды со взрывоэмиссионными катодами широко используются для создания мощных источников пикосекундных импульсов тормозного излучения с характерной энергией квантов 105-10б эВ-и выше (см., например, [31-32]). Пикосекундные рентгеновские источники интересны прежде всего тогда, когда необходима большая мощность дозы и острый фокус излучения, а спектр излучения может быть широким. Как отмечалось, при длительности импульса в сотни пикосекунд в вакуумном диоде плоской геометрии на аноде достигаются высокие плотности тока, т.е. рентгеновский фокус такой трубки может иметь диаметр 200 - 300 мкм [33], а рассеиваемая в материале анода энергия при-этом невелика из-за малой длительности импульса.
Созданные высоковольтные импульсные генераторы на основе ВЭЭ [34] позволили провести серию исследований по формированию замагниченных сильноточных электронных пучков с длительностью менее 1 нс. Такие пучки формируются в коаксиальном магнитоизолированном диоде, представляющем собой приосевой катодный и охватывающий его трубчатый анодный электроды [34]. Эмиттером электронов является торец и прилегающая цилиндрическая поверхность катода, где электрические поля много больше, чем в однородной части коаксиальной линии, и могут достигать единиц МВ-см"1.
Взрывная электронная эмиссия реализуется во многих типах вакуумных и газоразрядных приборов. В" стартере тлеющего разряда (приборе, используемом для зажигания газоразрядных ламп) — взрывная электронная эмиссия также реализуется. Доказательства этому приведены в [35-43].
На рис. 1.1 представлены осциллограммы тока (2) и напряжения (1) на стартере 80С—220-2 при однократном разрыве контактов в типовой схеме включения газоразрядных ламп. На осциллограмме видно наличие резких изменений напряжения - пробоев. Пробои возникают многократно даже после одного разрыва контактов стартера и продолжаются до тех пор, пока не израсходуется энергия, накопленная в магнитном поле дросселя. Максимальная амплитуда импульсов Umax ограничивается напряжением пробоя - напряжением перехода аномального тлеющего разряда в низковольтную форму.
Исследования специально изготовленных стартеров показали, что при каждом таком пробое происходит переход от катодного слоя с равномерной эмиссией со всего катода к слою в котором эмиссия электронов с малого участка обеспечивает ток в столбе на площади, значительно превосходящей площадь эмиттирующего участка-поверхности катода - тлеющий разряд переходит в дуговой.
Установка для исследования взрывной электронной эмиссии в разрядных источниках света
Для исследования характеристик ВЭЭ в разрядных источниках света применяли установку, схема которой представлена на рис.2.3. Конденсатор С определённой ёмкости (использовали конденсаторы ёмкостью 1,0мкФ, 4,0мкФ, 10,0мкФ) заряжали от источника питания до начального напряжения инач. Источник питания позволял устанавливать напряжение UHm. в диапазоне 30 - 270 В. Затем источник питания при помощи ключа К1 отключали и к лампе Л, включённой в схему рис.2.3 прикладывали импульс (-10000 В) от блока формирования высоковольтных импульсов [85], инициирующий разряд в лампе. Сопротивление R ограничивало ток, протекающий через лампу после инициирования разряда. После прекращения разряда, замыкали ключ К2 и с помощью вольтметра V регистрировали остаточное напряжение на конденсаторе Uocm±. Это напряжение было равно минимальному напряжению на лампе Л при протекании через неё тока, при разряде конденсатора С. По этому Uocm определяли минимальное значение катодного падения напряжениям процессе пробоя.
Анализируя остаточные напряжения, можно судить о процессах, которые происходили в лампе. Так, если Uocm, 100...150 В, то считали, что в лампе существовал тлеющий разряд, а если Uocm. 10.. .50 В, то следовало говорить о «пробое» - переходе разряда в низковольтную стадию (дуговойфаз-ряд) с возникновением взрывной электронной эмиссии (ВЭЭ). Для возникновения ВЭЭ важен ток, протекающий через лампу, поскольку им определяется ширина1 области катодного падения и в конечном итоге напряжённость электрического поля Ек. Меняя токоограничительное сопротивление R при одном и том же итч.у регистрировали Uocnu и по его значению определяли-вид электронной эмиссии и вычисляли минимальное значение тока, инициирующего ВЭЭ.
При проведении исследований модуляции электропроводности приэлек-тродной плазмы использовалась методика зондовых измерений. Электрическая схема зондовой установки представлена на рис.2.4. Установка позволяла проводить измерения как в прикатодной, так и в прианодной частях разряда.
Для измерения параметров прианодной плазмы использовали экспериментальные лампы с анодами разных типов. Устанавливали определенную величину разрядного тока-(0,2; 0,3; 0,4 А), которую контролировали по амперметру РА1 (рис.2.4) и регулируй напряжение между зондом и анодомус-танавливали такую его величину, при которой ток на зонд (13) был равен нулю. Начиная с этого значения, напряжение, подаваемое на зонд, уменьшали, регистрируя ток на зонд. При наличии анодных колебаний ток регистрировали с помощью осциллографа; подключённого параллельно миллиамперметру РА2. Измеряли ток на зонд І3.тах в момент времени, когда величина анодного падения напряжения.была максимальной, при различных напряжениях между зондом и анодом. Аналогично, измеряли ток на зонд Іхтіп в момент времени когда величина анодного падения напряжения была минимальной,, при различных напряжениях между зондом и анодом. Если колебания анодного падения напряжения отсутствовали и, как следствие, 13 тах=13 значения тока через зонд измеряли по миллиамперметру РА2. Уменьшение напряжения на зонде проводили до тех пор, пока зонд не начинал калиться. Затем измерения проделывали в таком же порядке для следующей величины разрядного тока.
Среднюю величину тока на зонд измеряли, регистрируя значения тока по амперметру РА2. Данные, полученные в результате измерений, сводились в таблицы, на основании которых строилась зависимость логарифма-разрядного тока от напряжения смещения зонда. Из этих зависимостей по методике изложенной в [86]-определялся потенциал плазмы в месте расположения зонда. Определялось значение Uxmax и /,.„„„ - максимальное и минимальное значение потенциала плазмы, определяемое колебаниями анодного падения.
Разность потенциалов между плазмой, в области расположения зонда, и анодом складывалось из анодного падения и падения потенциала на положительном столбе в этом промежутке. Поскольку величина падения напряжения на участке столба анод-зонд была известна ( ЗВ), то зная потенциал плазмы возле зонда, определяли величину анодного падения.
Измерения зондовых характеристик в прикатодной области разряда позволили оценить скорость испарения эмиссионного покрытия [87]. При работе лампы эмиссионное вещество с электрода удаляется, оседая на элементах арматуры лампы, изменяя работу выхода этих элементов.
В вакуумных приборах скорость удаления материала с катода, а значит и напыления его на элементы арматуры, может быть измерена по данным масс-спектрометрического анализа или же с использованием способа, предложенного Беккером [71]. Для измерений скорости удаления эмиссионного вещества с электродов в газоразрядном приборе оба эти способа не подходят. О скорости расхода эмиссионного материала в этом случае можно судить косвенным образом, имея данные о величине катодного падения, давлении и роде наполняющего прибор газа [15]. В газоразрядном приборе наряду с испарением оксида, имеется и распыление его ионами газа, наполняющего прибор. Наличие газа усложняет расчет скорости удаления (а значит и скорости напыления). В газоразрядных приборах существует возврат части испарившегося эмиссионного материала на электрод, в том числе и на непокрытые оксидом витки вольфрамовой спирали.
В [86] отмечалось, что при проведении зондовых измерений в газоразрядных приборах необходимо учитывать напыление эмиссионного вещества на зонд. Особенно существенно это при проведении зондовых измерений вблизи катода. Ток на ленгмюровский зонд [88] зависит от геометрии и потенциала зонда относительно плазмы, а также от параметров разряда. Обычно зонды изготавливают из тугоплавких молибденовых или вольфрамовых проволок, имеющих работу выхода 4,35 и 4,55 эВ соответственно [89]. На 53 пыление на зонд эмиссионного материала электрода может уменьшить работу выхода зонда на величину, превышающую 2 эВ [90].
Пороговые токи взрывной электронной эмиссии в разрядных источниках света низкого давления
Как и в случае с разрядными источниками излучения высокого давления, важнейшим параметром, характеризующим условия возникновения ВЭЭ является определённая плотность тока [9]. Образцы для измерений и их маркировка представлены в главе 2. Результаты измерений для ламп ЛБ-20-1Т, ЛБ-20-2Т, ЛБ-20-ЗТ, ЛБ-20-1П, ЛБ-20-2П, ЛБ-20-ЗП при ёмкости конденсатора С=1мкФ, представлены на рис.3.9-3.10. На них приведены зависимости Uocm от /начпри различных токоограничительных сопротивлениях. Подобные результаты можно получить и из других графиков рис.3.9-3.10. Анализ этих данных позволяет вычислить минимальный ток, при котором возможен пробой, т.е. переход лампы из непроводящего состояния в проводящее, для различных типов ламп. Еслик величина остаточного напряжения превышает 100В, то следует говорить о зажигании тлеющего разряда, если же величина остаточного напряжения меньше 30 - 40В, то следует говорить о дуговом разряде. В этом случае, видимо, реализуется-дуговой разряд с холодным катодом [2], т.к. не было замечено разогрева электрода до температур, обеспечивающих термоэлектронную эмиссию.
Ток, при котором возможен пробой - 1пр равен отношению напряжения итч.порог., к токоограничивающему сопротивлению R: Inp = UHa„ 110por /R. Для лампы ЛБ-20-1Т (рис.3.9,а) при Я=860м 1 =50 В/86 Ом «0,581 А, при Я=150Ом 1пр= 80В/150Ом-0,533А, при Д=220Ом 1пр = 110В/220Ом«0,5А, при Я=330Ом 1 =150В/330Ом«0,454А. Из полученных данных можно выбрать минимальное значение тока 1пр_ при котором возможен пробой этой лампы Анализ зависимостей приведенных на рис.3.9—ЗЛО для ламп ЛБ-20-2Т, ЛБ-20-ЗТ, ЛБ-20-Ш, ЛБ-20-2П, ЛБ-20-ЗП показал, что в них реализуется ВЭЭ. Значения 1пр для данных ламп приведены в таблице 3.2 при С=1мкФ, в ней же указаны минимальные значения тока, при котором возможна ВЭЭ. Из данных таблицы 3.2 видно, что для различных ламп минимальный ток 1„рл1и„, при котором возможна ВЭЭ., имеет различное значение - меньшие значения 1„рмин. у ламп ЛБ-20-1Т, ЛБ-20-2Т, ЛБ-20-ЗТ, большие у ЛБ-20-Ш, ЛБ-20-2П, ЛБ-20-ЗП. Этот факт является следствием различной конструкции электродов ламп (у ламп ЛБ-20-1Т, ЛБ-20-2Т, ЛБ-20-ЗТ электрод трис-пиральной конструкции, у ламп ЛБ-20-Ш, ЛБ-20-2П, ЛБ-20-ЗП - прямой электрод), а также различным способом подготовки и составом эмиссионного покрытия. Пробой в разных лампах, при прочих равных условиях, происходит при различных значениях UHm. Самое низкое значение Ulia4, при котором реализовывался-механизм ВЭЭ у лампы ЛБ-20-1Т, самое высокое уЛБ-20-Ш. Экспериментальная установка включала источник постоянного напряжения для питания лампы, регулируемый источник напряжения смещения и измерительные приборы. Схема приведена на рис.2.4. На рис.3.11 представлены зависимости изменения напряжения смещения Us от времени для различных рабочих токов газоразрядного прибора.
Амплитуда изменения Us в процессе измерений достигала 2,3 В. Учитывая тот факт, что изменение работы выхода системы W - Ва, равное примерно 2,3, В наблюдается при 0/опт =1, здесь 0 — степень-покрытия поверхности вольфрамовой спирали атомами бария. 0ОПТ. — оптимальная степень покрытия, соответствующая минимальной работе выхода. [90]. Можно утверждать, что изменение Us на 2,3 В, полученное в эксперименте, является следствием оседания на вольфрамовом зонде монослоя атомов Ва. Данные рис.3 . 11 показывают, что скорость изменения существенно зависит от разрядного-тока и при изменении последнего от 0,3 до 0,43 А возрастает в-5 раз (сравнить кривые 1 и 4). Из рис.3.11 также видно, что если за 8 с при разрядном токе 0,43А, AU$=2,3 В (т.е: напыляется слой Ва, соответствующий /0ОПТ =1), то при токе 0,4 А за это же время A Us=1,37 В (т.е. напыляется слой Ва, соответствующий /опт. =0 4), а при токе 0,3A, AUs=0,67B (напыляется слой Ва, соответствующий отношению /Ьпт. =0,2).
А так как изменение скорости напыления на зонд зависит от интенсивности удаления оксидного покрытия с катода, то эта интенсивность при возрастании рабочего тока от 0,3 А до 0,43 А увеличивается почти в 5 раз.
В ЛЛ область КП находится вблизи области электрода не покрытого эмиттером (область тире). Поэтому в процессе горения лампы естественно ожидать напыление на него Ва, следствием чего будет уменьшение работы выхода области тире электрода. Область тире и КП находятся достаточно близко, на одной спирали, и можно предположить, что В а мигрирует с оксидированной части электрода на тире по поверхности вольфрамовой спирали, однако в [95] указывается, что величина такой миграции составляет всего 0,3мм. Вместе с тем, как при зажигании лампы, так и при её работе в стационарном режиме, максимум излучения линии Ва [22] наблюдается в области разряда вблизи средней части тире - в месте, удалённом от КП на расстояние в несколько раз превышающем величину миграции атомов Ва. Таким образом, механизм появления Ва на неоксидированной части электрода — напыление из области КП в стационарном рабочем режиме.
Данные рис.3.11 говорят о том, что покрытие области тире монослоем атомов можно ожидать после 10-20 секунд горения лампы, работа выхода этой области снизится до 2 эВ (рис.3.12) и при новом инициировании разряда будет «работать» плёночный катод так, что КП «сядет» на эту область (при холодном зажигании лампы). Это тем более вероятно, что при комнатной температуре удельное сопротивление оксида очень велико и не может позволить протекание достаточного тока проводимости.
На рис.3.13-3.14 приведены осциллограммы, характеризующие процесс «холодного» зажигания лампы типа ЛБ20. Напряжение питания лампы U=150B, токоограничительное сопротивление R=200OM, амплитуда зажигающего импульса превышает 2000В; при длительности 20мкс. Начало развёртки совпадает с моментом появления зажигающего импульса. Кроме напряжения и тока (ноль - пунктирные линии) на осциллограмме зафиксирован фототок ФЭУ, пропорциональный интенсивности излучения Ва (зависимость 3) в области, близкой к середине тире. Из рис.3.13 следует, что после подачи зажигающего импульса длительностью 20 мкс, через лампу начинает протекать ток ограниченный сопротивлением R и достигающий 0,7А (зависимость 1), при этом напряжение на лампе составляет 15В (зависимость 2). Такие параметры,разряда можно обеспечить, при холодном катоде, только если механизмом эмиссии является ВЭЭ. Низкое напряжение на разряде сохраняется на протяжении 2 мс после того, как прекратился зажигающий импульс, этому времени соответствует фотография приведённая на рис.3.15,а. В дальнейшем напряжение на лампе возрастает до 50В, ток уменьшается.. Наблюдаются существенные флуктуации тока, представленные на осциллограмме в виде высокочастотных шумов.
Механизм модуляции проводимости в прианодной области
Влияние величины площади анода на анодное падение являлось предметом обсуждения целого ряда исследований. Однако выводы их далеко не однозначны. Использование этих результатов применительно к люминесцентным лампам затруднено тем, что большинство работ проведено для разрядов при давлении 10"3 мм рт.ст. Эти данные говорят о том, что увеличением площади анода можно существенно уменьшить анодное падение. Однако, как следует из данных [104] и полученных нами результатов (рис.4.5) - это не совсем так.
Анодное падение существенно не меняется при увеличении площади анода от 25 мм2 до 600 мм2 [105]. Это, по-видимому, можно объяснить наличием колебаний анодного падения потенциала, амплитуда которых несколько уменьшается, а минимальное значение Ua - возрастает с увеличением площади анода. Возникновение анодных колебаний для чисто ртутного разряда в [106] объясняется периодическими измерениями величины анодного падения, связанными с накоплением и рассасыванием нескомпенсированного пространственного заряда вблизи малого анода. Эту же теорию можно использовать для объяснения возникновения анодных колебаний в исследованных нами люминесцентных лампах с аргоново-ртутным наполнением. После подключения лампы к источнику напряжения почти все падение напряжения сосредотачивается в электронном слое около анода (кривая 1, рис. 4.6,а). Электроны, ускоряемые полем, производят интенсивную ионизацию, и постепенно накапливающиеся положительные ионы, разрушая, отрицательный объемный заряд, вызывают снижение потенциала электрода (кривые 2, 3 рис.4.6,а) и, соответственно, этому рост тока. При этом электронный слой "пробивается".
Вследствие снижения потенциала анода почти до потенциала основной плазмы, рождение новых ионов вокруг него начинает уменьшаться; само же анодное пятно постепенно рассасывается в окружающее электрод пространство под действием диффузии положительных ионов (чему помогает и поле вокруг анодного пятна, способствующее в данном случае диффузии ионов). Около электрода снова возникает облако электронов и потенциал анода снова возрастает (кривые 4,5,6 рис.4.6) и процесс повторяется снова.
Величина этого критического значения анодного падения в люминесцентных лампах примерно равна потенциалу ионизации ртути. На осциллограмме напряжения на лампе отмечаются релаксационные колебания с частотой около 1000 Гц и амплитудой порядка 10 В [13].
Проведенные дополнительно эксперименты показали, что при вымораживании паров ртути амплитуда анодных колебаний возрастала до потенциала ионизации аргона. В специально изготовленных лампах с чисто неоновым наполнением амплитуда анодных колебаний достигала 17 В.
В соответствии с возникновением "пробоев" возникают импульсы свечения плазмы в прианодной области (рис.4.7). Возникают они синхронно с пробоями в прианодной области. Это ещё раз подтверждает возможность использования предлагаемой модели возникновения анодных колебаний для объяснения их природы. Нами было также установлено[105], что с увеличением площади анода с 25мм2 до 140мм2 амплитуда анодных колебаний уменьшается с 10 В до 7 В, а частота с 10 кГц до 3 кГц. Кроме того, при изменении давления наполняющего лампу аргона величина анодного падения потенциала также изменяется. В целом можно сказать, что с увеличением давления аргона, Ua несколько уменьшается. При увеличении давления аргона диффузия ионов к стенкам трубки уменьшается и периодически образующийся перед анодом отрицательный объемный заряд тем меньше, чем больше давление аргона. Это и приводит к уменьшению величины анодного падения потенциала.
Увеличение разрядного тока через лампу (с 0,2А до 0,4А) во всех случаях приводило к некоторому увеличению величины анодного падения потенциала. Это объясняется тем, что с увеличением разрядного тока растет и количество электронов, подлетающих к поверхности анода., В результате роста объемного отрицательного заряда растет и величина анодного падения потенциала.
Для лампы с различными давлениями аргона (0,5; 2,5; 4 мм рт.ст.) и разрядными токами 0,ЗА и 0,4А были измерены температура анодов в рабочем режиме. Большему разрядному току (ОДА) соответствовали и высшие температуры. При увеличении давления аргона температура анода уменьшалась, кроме того, в лампах конструкции Е (два анода верхний и нижний) при одинаковом давлении и разрядном токе меньшую температуру имел верхний анод с более длинным молибденовым держателем, Это подтверждает положение о довольно сильном влиянии площади токоотвода и давления газа на электродные характеристики ЛЛ: в первом случае при увеличении давления аргона увеличивается теплоотвод через газ, во втором случае уменьшается подогрев электрода за счет более значительного отбора тока на держатель. Кроме того, увеличение площади электрода и увеличение давления инертного газа приводит, как показано выше, к некоторому уменьшению величины анодного падения.
