Введение к работе
Актуальность исследования.
Среди прикладных задач физики газового разряда с низкотемпературной плазмой, при решении которых необходимо учитывать влияние плазмы на вещество, можно выделить задачу увеличения ресурса мощных бактерицидных амальгамных ламп низкого давления с парами ртути в инертных газах. Эти лампы в настоящее время являются наиболее эффективными для получения бактерицидного ультрафиолетового (УФ) излучения с длиной волны 254 нм. Именно они применяются в установках для обеззараживания воды и воздуха с расходами несколько тысяч м3 в час. Чем мощнее источник бактерицидного УФ излучения, тем меньше будет время обработки и выше скорость подачи обрабатываемой среды.
Для сохранения высокого КПД генерации УФ излучения при повышении мощности амальгамных ламп необходимо понижать давление буферного инертного газа менее 1 торр при сохранении парциального давления паров ртути на уровне 7-10 мторр, однако это приводит к уменьшению срока службы электродов. Этот процесс ещё более усугубляется в мощных амальгамных лампах с оксидными катодами, поскольку для увеличения удельной мощности необходимо увеличивать ток разряда до нескольких ампер, в результате чего возрастает скорость расходования оксидного слоя. Влияние плазмы на электроды будет разным во время включения и в течение длительной работы без включений. При включениях лампы процесс износа электрода значительно ускоряется. На начало данной работы ресурс электродов мощных амальгамных ламп составлял всего 300-500 включений, а для большинства применений требовался ресурс в несколько тысяч включений.
Увеличение срока службы электродов мощной амальгамной лампы -важная задача, которая решается раздельно для периодов работы лампы в пусковом и стационарном режимах работы лампы. Первая часть задачи актуальна для ламп, устанавливаемых на объектах, где происходят частые включения и выключения. Вторая часть задачи чрезвычайно важна при работе ламп на объектах, которые должны работать непрерывно, например, на станциях обеззараживании воды. Практика требовала увеличения срока службы лампы при её длительном непрерывном горении с 8 тысяч часов до 12-16 тысяч, при этом ресурс электродов должен быть больше и составлять 16-20 тысяч часов.
Эрозия материала электродов также ведет к переносу продуктов эрозии на стенки лампы. Это приводит к снижению пропускания колбы лампы и, как следствие, к уменьшению выхода ультрафиолетового излучения и к снижению
рабочего ресурса лампы. Необходимо было разработать электрод, способный работать длительное время в мощных амальгамных лампах с током разряда несколько ампер при низких давлениях 0.5-1 торр, выдерживать большое количество включений и не оказывать влияние на генерацию и выход УФ излучения. Необходим и электронный пускорегулирующий аппарат (ЭПРА), обеспечивающий длительную работу электродов.
Цель работы и задачи исследования.
Целью работы является исследование процессов, определяющих срок службы электродов мощных амальгамных ламп с дуговым разрядом низкого давления в смесях инертных газов и паров ртути, влияние электродов на спад интенсивности УФ излучения лампы, разработка электродов для мощного источника УФ излучения с высоким КПД и повышенным ресурсом работы и электронного пускорегулирующего аппарата (ЭПРА), позволяющего осуществить длительную работу лампы. Ставятся следующие задачи:
1. Провести исследования физических процессов, происходящих на
электродах в дуговом разряде переменного тока частотой 43 кГц при
пониженных давлениях 0.5-1 торр смесей газов аргон-неон и паров ртути в
пусковом и стационарном режимах работы мощной амальгамной лампы
низкого давления.
2. Определить основные причины, приводящие к выходу из строя электродов
в пусковом и стационарном режимах работы лампы и погасанию разряда при низких давлениях в смесях инертных газов с парами ртути.
3. Определить влияние электродов на спад интенсивности УФ излучения и
предложить способы уменьшения их воздействия.
4. Разработать конструкции электродов, позволяющие при сохранении
высокой мощности разряда значительно увеличить ресурс работы
электродов в стационарном режиме работы лампы при пониженных
давлениях газа.
5. Разработать способ нанесения карбонатной суспензии на электроды лампы,
позволяющий дополнительно увеличить срок службы электродов в пусковом и стационарном режимах работы лампы.
6. Определить режим зажигания лампы, позволяющий значительно увеличить
ресурс работы электродов в пусковом режиме работы лампы. Разработать ЭПРА, алгоритм работы и схемное решение которого позволяют значительно увеличить ресурс работы электродов лампы в пусковом режиме. Объект исследования - электроды в дуговом разряде низкого давления в смесях инертных газов (Ne/Ar:70%/30%) с парами ртути при давлении смеси 0.5
- 1 торр. Ток разряда в стационарный период работы равен 3.2 А, частота
разрядного тока 43 кГц, погонная электрическая мощность разряда 2.4-2.5
Вт/см. Длина разрядного промежутка 1450 мм, диаметр разряда - 25 мм.
Источник паров ртути - амальгама Hg(lnAgAu).
Методы исследования.
При исследовании влияния плазмы на электроды в пусковой период работы лампы регистрировался процесс зажигания лампы с помощью видеосъёмки; одновременно измерялись мощность УФ излучения и электрические параметры ламп и ЭПРА. Для выяснения причин, приводящих к быстрому выходу из строя электродов ламп при многократных включениях, были проведены исследования ламп на максимальное число включений, которое выдерживает лампа, работающая в определённом режиме работы. Измерялся спад уровня УФ излучения лампы в зависимости от числа включений и от времени непрерывной работы лампы. Электрические параметры лампы ЭПРА измеряются с помощью анализатора мощности YOKOGAWA PZ 4000 с погрешностью 0.5%. Проводилось измерение температуры электродов в пусковом периоде работы лампы (до зажигания дугового разряда в лампе) с помощью косвенного метода измерения. Метод предусматривал измерение электрического сопротивления накаленных электродов непосредственно перед зажиганием разряда в лампе. При исследовании влияния плазмы на электроды в стационарный период работы лампы программа исследований включала ресурсные испытания экспериментальных ламп в течение 1-2 лет, а также периодическое измерение их электрических параметров и мощности УФ излучения.
Научная новизна работы.
1. Предложен способ зажигания мощных амальгамных ламп низкого давления,
позволивший значительно увеличить максимальное число их включений с 300
- 500 до 200000 раз. На этой основе разработан и серийно выпускается
электронный пускорегулирующий аппарат, защищенный двумя патентами.
Показано, что унос материала электрода, при длительной работе ламп, не является основной причиной снижения мощности УФ излучения со временем. Предложен способ нанесения на электроды карбонатной суспензии, обработанной ультразвуком, для увеличения ресурса.
Впервые измерено анодное падение в мощных амальгамных лампах низкого давления с питанием высокой частотой 10-100 кГц, и показано, что оно вносит основной вклад в нагрев электродов.
4. Разработаны конструкции электродов для мощных амальгамных ламп
низкого давления, позволяющих значительно увеличить срок службы
электродов при пониженных давлениях 0.5 - 1 торр. Выявлено, что полые
электроды могут быть применены в мощных амальгамных лампах в области низких давлений менее 1 торр в разрядных трубках большого диаметра.
Научная и практическая ценность.
Результаты исследований могут быть использованы при проектировании и разработке новых электродов с большим ресурсом, позволяют значительно увеличить срок службы мощных амальгамных ламп низкого давления.
Следующие полученные результаты используются при производстве ламп:
Электронный пускорегулирующий аппарат, увеличивающий максимальное число включений мощной амальгамной лампы низкого давления до 200000 раз.
Электродные узлы с экраном в виде танталовой пластинки, позволяющие увеличить ресурс электродов в стационарном режиме работы лампы в 2-3 раза.
3. Способ нанесения на электроды лампы карбонатной суспензии.
Достоверность научных результатов и обоснованность научных
положений базируется на использовании современных высокоточных средств измерений и диагностики, применении апробированных методик проведения исследований, на согласованности расчётных предсказаний с результатами экспериментов, на статистическом подтверждении экспериментально полученных результатов, на совпадении полученных результатов с данными других работ в области их применимости.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты экспериментального исследования процессов,
происходящих на электродах в разряде переменного тока частотой 43 кГц при
пониженных давлениях 0.5-1 торр смесей газов аргон-неон и паров ртути.
Выявлены основные причины разрушения электродов мощных амальгамных
ламп низкого давления в пусковом и стационарном периодах работы лампы.
Показано, что выделение продуктов эрозии материала электрода не является
основной причиной снижения мощности УФ излучения при длительной работе
мощных амальгамных ламп низкого давления. Способ нанесения на
электроды мощной амальгамной лампы низкого давления карбонатной
суспензии, предварительно обработанной ультразвуком, позволяющий
увеличить массу оксидной смеси для увеличения ресурса.
2. Выявлено, что в стационарном режиме работы основным процессом,
приводящим к термическому разрушению материала электродов, является
нагрев электродов электронами в анодный полупериод работы лампы.
Анодное падение в мощных амальгамных лампах низкого давления измерено
впервые. Метод определения катодного и анодного падений напряжений в мощных амальгамных лампах низкого давления с дугой низкого давления переменного тока с частотой 10-100 кГц.
Результаты исследований различных конструкций электродов с потенциальными и непотенциальными экранами и полого электрода. Потенциальные экраны с цилиндрическим экраном с закрытым торцом со стороны плазмы и экран - танталовая пластинка со стороны плазмы позволяют увеличить срок службы электродов при низких давлениях 0.5-1 торр в 2-3 раза. Непотенциальные экраны и потенциальный цилиндрический экран с открытыми торцами не позволяют увеличить срок службы электродов. Полый электрод эффективен при более низких давлениях для трубок с большими диаметрами.
Алгоритм работы и блок-схема электронного пускорегулирующего аппарата, позволяющие значительно увеличить максимальное число включений амальгамных ламп низкого давления с 300 - 500 раз до 200000 раз.
Апробация результатов исследования и публикации.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 4-й Всероссийской конференции Физическая электроника -2006 (ФЭ -2006), г. Махачкала, 23-26 октября 2006 г., на Всероссийской (с международным участием) конференции Физика низких температур. - 2007, г. Петрозаводск, 2007 г., на 5-й Всероссийской конференции Физическая электроника - 2008 (ФЭ -2008), г. Махачкала, 26-30 октября 2008 г, стр. 52-56, стр. 65-68, на 13 symposium of DAfP "Licht fur den Arbeitsplatz", Darmstadt 2008. p. 20 - 24, на 6-й Всероссийской конференции Физическая электроника - 2010 (ФЭ-2010), г. Махачкала, 23-26 сентября 2010 г, стр. 93-97, стр. 97-101, Юбилейной конференции ОИВТ РАН, 2010, 20-21 октября, а также на научных семинарах в ЗАО НПО ЛИТ и в ЗАО ЛИТ в период 2004 - 2010 гг, на научном семинаре ОИВТ РАН 27.10.2011 г.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 14 работ (из них 4 статьи в рецензируемых изданиях из перечня ВАК, 2 патента на изобретение РФ, 8 докладов на конференциях), список которых приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора. Основные результаты, полученные из экспериментов и расчетов, которые представлены в диссертации, получены непосредственно автором или при его определяющем личном участии.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав и заключения, содержит 200 страниц текста, включая 8 таблиц, 81 рисунок. Список цитируемой литературы -122 наименования.
Похожие диссертации на Исследование влияния плазмы на электроды мощных амальгамных ламп низкого давления и повышение срока их службы
