Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1: Анализ литературных данных по индукционным люминесцентным источникам света 26
1.1 Индукционные газоразрядные лампы: история возникновения...26
1.2 Андерсон - «отец» индукционных люминесцентных ламп 31
1.3 Колбы с полостью и индуктивной катушкой 37
1.4 Колбы с полостью, индуктивной катушкой и ферромагнитным сердечником 40
1.5 Колбы с наружной индуктивной катушкой 45
1.6 Замкнутые трубки с ферромагнитным магнитопроводом 46
1.7 Выводы к обзору литературы и постановка научных и технических задач диссертации
1.7.1 Основные типы современных индукционных люминесцентных ламп.50
1.7.2 Требования, предъявляемые к техническим и эксплутационным
параметрам современных индукционных ламп 52
1.7.3 Задачи диссертационной работы 53
ГЛАВА 2: Теоретические исследования индукционных ламп низкого давления
2.1 Основные типы индукционных люминесцентных ламп 55
2.2 Физические основы индукционных разрядов низкого давления..61
2.2.1 Закон электромагнитной индукции и коэффициент связи ВЧ
индуктора с плазмой 61
2.2.2 ВЧ напряжение на плазме и магнитная индукция 63
2.2.3 Емкостной и индукционный разряды 64 2.3 Пространственное распределение параметров плазмы
индукционных разрядов низкого давления 67
2.3.1 Пространственное распределение параметров плазмы в колбе с
полостью и расположенным в ней ВЧ индуктором 67
2.3.2 Распределение параметров плазмы в бесферритных индукционных лампах в замкнутых трубках 68
2.3.3 Пространственное распределение параметров плазмы индукционного разряда в бесферритной линейной незамкнутой трубке 78
2.4 Трансформаторная модель индукционного разряда 86
2.4.1 Электрическая и эквивалентная схемы индукционного разряда 87
2.4.2 Уравнения трансформаторной модели индукционного разряда 91
2.4.3 Индуктивности плазмы индукционного разряда и ее добротность 94
2.4.4 К.п.д. ВЧ индуктора, световая отдача плазмы и коэффициент связи плазмы с ВЧ индуктором 96
2.5 Выводы по Главе 2 99
ГЛАВА 3: Узлы и компоненты индукционных ламп и выбор их оптимальных параметров и режимов работы
3.1 Разрядные колбы и трубки 101
3.1.1 Функции колбы/трубки 101
3.1.2 Материал колбы/трубки 102
3.1.3 Критерии выбора размеров разрядной колбы/трубки 103
3.2 Индуктивные катушки 106
3.2.1 Провода, используемые для изготовления индуктивных катушек 106
3.2.2 Требования к параметрам катушки 108
3.2.3 Ток катушки, мощность потерь в ее проводе и к.п.д. катушки 113
3.2.4 Бифилярные катушки 117
3.3 Ферромагнитные сердечники и магнитопроводы 118
3.3.1 Мощность потерь в материале сердечника/магнитопровода 118 3.3.2 Требования к температуре сердечника/магнитопровода 122
3.3.3 Конструкции ферромагнитных сердечников/магнитопроводов 124
3.3.4 Размеры и расположение сердечника и индуктивной катушки 126
3.4 Электростатические экраны 127
3.4.1 Роль потенциальных (емкостных) полей в индукционных лампах 127
3.4.2 Влияние электростатического экрана на к.п.д. ВЧ индуктора 129
3.4.3 Электростатический экран и зажигание лампы 130
3.4.4 Лампы с экраном и штенгелем с расширенной «горловиной» 132
3.5 Покрытия на стенках разрядной колбы/трубки 135
3.5.1 Защитное покрытие 135
3.5.2 Люминофорный слой 136
3.5.3 Отражающие покрытия 138
3.5.4 Покрытия, поглощающие электромагнитное излучение плазмы индукционного разряда 140
3.6 Системы поддержания температурных режимов узлов лампы... 141
3.6.1 Источники нагрева ВЧ индуктора и проблемы поддержания температуры ВЧ индуктора и амальгамы 141
3.6.2 Требования к материалу охлаждающего устройства 142
3.6.3 Типы охлаждающих устройств 142
3.6.4 Диэлектрические втулки и изоляторы 143
3.7 Ртутное наполнение: ртутный диспенсер и амальгама 144
3.7.1 Ртутный диспенсер и выбор холодной точки 144
3.7.2 Флаг со вспомогательной (стартовой) ртутной амальгамы 145
3.7.3 Основная амальгама 145
3.7.4 Методы поддержания температуры основной амальгамы 148
3.8 Буферный (инертный) газ 149
3.8.1 Влияние давления инертного газа на мощность потерь в индукторе.. 149
3.8.2 Влияние давление инертного газа на выход резонансного излучения в ЛЛ и индукционных люминесцентных лампах 151
3.8.3 Влияние давления инертного газа на световую отдачу плазмы 152
3.8.4 Влияние давления инертного газа на световую отдачу лампы 156
3.8.5 Технологические аспекты выбора давления буферного газа 157
3.9 Согласующий/настраивающий контур 157
3.9.1 Настраивающий контур в мегагерцовом диапазоне частот 158
3.9.2 Согласующий контур на частотах 50-1000 кГц 159
ЗЛО Схемы питания индукционных ламп и измерения их
характеристик 160
3.10.1 Схемы при работе на частотах 2 -20 МГц 160
3.10.2 Схемы при работе на частотах 50 - 1000 кГц 161
3.10.3 Температурные, электрические и фотометрические измерения в термической камере 162
3.11 Выводы по Главе 3 163
ГЛАВА 4: Бесферритные индукционные лампы с полостью и катушкой на частотах 2-14 МГц
4.1 Конструкции ламп 165
4.2 Исследование зажигания емкостного разряда
4.2.1 Феноменология зажигания емкостного разряда 167
4.2.2 Влияние инертного газа и температуры окружающей среды на зажигание емкостного разряда 169
4.3 Зажигание индукционного разряда 170
4.3.1. ВЧ напряжение на катушке и напряженность ВЧ электрического поля в колбе при зажигания индукционного разряда 170
4.3.2 Мощность лампы и ток катушки при зажигании индукционного разряда 172
4.3.3 Влияние сорта и давления инертного газа на зажигание индукционного разряда 175 4.3.4 Влияние электростатического экрана на зажигание лампы 177
4.4 Электрические характеристики индукционного разряда в
установившемся режиме 177
4.4.1 Феноменология перехода разряда из емкостного в индукционный 177
4.4.2 Частотные зависимости напряжения и тока катушки Vcn 1С 1 4.4.3 Зависимости Vc и 1С от давления паров ртути и инертного газа 181
4.4.4 Импеданс и сопротивление первичной цепи Zj и R; 182
4.5 Добротность плазменного витка и его индуктивностей 184
4.5.1 Добротность плазменного витка Q2 184
4.5.2 Геометрическая индуктивность плазменного витка Lind. 187
4.5.3 Эффективная частота осцилляции электронов плазмы (Оф 188
4.6 Макропараметры плазмы индукционного разряда 189
4.6.1 Сопротивление плазмы Rp! 189
4.6.2 ВЧток индукционного разряда 1р1 191
4.6.3 Напряженность индукционного ВЧ электрического поля Ept 192
4.7 Мощность потерь в индуктивной катушке Рсоц 194
4.7.1 Аналитические соотношения, связывающие мощность потерь в
катушке с параметры плазмы и лампы 195
4.7.2 Зависимость Pcoit от диаметра полости Dcav 198
4.7.3 Влияние мощности лампы и частоты ВЧ поля на мощность потерь в
индуктивной катушке PC0ll 199
4.7.4 Зависимость Pcoil от числа витков катушки N. 200
4.7.5 Мощность потерь в катушке с электростатическим экраном 201
4.8 Светотехнические характеристики лампы 203
4.8.1 Зависимость световой отдачи лампы rjv от ее мощности Р 203
4.8.2 Влияние диаметра колбы Db на световую отдачу лампы 204
4.8.3 Влияние частоты ВЧ поля и числа витков катушки на световую отдачу лампы и плазмы 206 4.8.4 Влияние давление инертного газа на световые параметры лампы 207
4.8.5 Влияние температуры окружающей среды на световые характеристики лампы 208
4.9. Выводы по Главе 4 210
ГЛАВА 5: STRONG Индукционные лампы с полостью и магнитным усилением на частотах 100 - 400 кГц
STRONG 5.1 Конструкции ламп и их основные узлы 212
5.1.1 Разрядные колбы 212
5.1.2 Индуктивные катушки 214
5.1.3 Ферромагнитные сердечники 214
5.1.4 Охлаждающие структуры 216
5.1.5 Трансформаторная модель индукционного разряда на частотах f = 50-500кГц 216
5.2 Индукционная люминесцентная лампа с колбой диаметром 110 мм, работающая на мощности 40-70 Вт 217
5.2.1 Конструкция лампы 217
5.2.2 Зажигание индукционного разряда 220
5.2.3 Электрические характеристики лампы в установившемся режиме...224
5.2.4 Мощность потерь в ВЧ индукторе и его к.п.д 227
5.2.5 Добротность плазменного витка 230
5.2.6 Макропараметры плазмы индукционного разряда 232
5.2.7 Светотехнические характеристики лампы 234
5.3 Индукционная лампа с колбой диаметром 160 мм, работающая на мощности 130-180 Вт 238
5.3.1 Конструкция лампы 238
5.3.2 Зажигание лампы 240
5.3.3 Электрические характеристики лампы в стационарном режиме 241
5.3.4 Макропараметры плазмы индукционного разряда 243
5.3.5 Светотехнические характеристики лампы 245
5.4 Индукционная люминесцентная лампа с колбой диаметром 170-185 мм, работающая на мощности 220-250 Вт 250
5.4.1 Конструкция лампы 250
5.4.2 Зажигание лампы 252
5.4.3 Электрические параметры разряда в установившемся режиме 253
5.4.4 Макропараметры индукционного разряда 255
5.4.5 Светотехнические характеристики лампы 258
5.5 Компактная индукционная люминесцентная лампа
на частоте 100-300 кГц и мощности 20-26 Вт 262
5.5.1 Конструкция лампы и ее основные узлы 262
5.5.2 Зажигание лампы 265
5.5.3 Электрические характеристики лампы в установившемся режиме...268
5.5.4 Макропараметры плазмы компактной индукционной лампы 272
5.5.5 Светотехнические характеристики лампы 276
5.5.6 Влияние температуры окружающей среды на параметры лампы 279
5.6 Индукционные лампы с несколькими полостями и ВЧ
индукторами 281
5.6.1 Индукционная лампа с одной полостью и несколькими ВЧ индукторами 282
5.6.2 Мощная 300-450 Вт лампа с двумя симметричными полостями и ВЧ
индукторами 285
5.7 Выводы по Главе 5 290
ГЛАВА 6: Индукционные люминесцентные лампы трансформаторного типа
6.1 Постановка задачи 293
6.2 Лампы трансформаторного типа с цилиндрическими разрядными трубками и симметрично размещенными магнитопроводами 294
6.2.1 Конструкции ламп 294
6.2.2 Лампы с трубками диаметром 35 мм 296
6.2.3 Лампы с трубками диаметром 38 мм 300
6.2.4 Лампы с трубками диаметром 50 мм 306
6.2.5 Лампы с трубками диаметром 100 мм 308
6.2.6 Сопоставление расчета Рс с экспериментом 316
6.3 Лампы трансформаторного типа с разрядными трубками
эллиптического сечения 321
6.3.1 Постановка проблемы 321
6.3.2 Конструкция лампы 322
6.3.3 Влияние сечения магнитопровода на параметры лампы 322
6.3.4 Влияние давления буферного газа на характеристики лампы 325
6.3.5 Влияние длины плазменного шнура на характеристики лампы 327
6.4 Асимметричные лампы трансформаторного типа 328
6.4.1 Конструкция лампы 328
6.4.2 Влияние сечения магнитопровода на характеристики лампы 329
6.4.3 Влияние давления буферного газа на характеристики лампы 331
6.5 Выводы по Главе 6 332
ГЛАВА 7: Бесферритные индукционные лампы с замкнутыми трубками
7.1 Достоинства и недостатки ламп трансформаторного типа 335
7.2 Принцип работы бесферритной индукционной лампы с замкнутой трубкой 335
7.2.1 Физические основы работы лампы 336
7.2.2 Конструкция лампы 337
7.3 Исследования лампы мощностью 100-200 Вт 339
7.3.1 Размеры и параметры лампы и индуктивной катушки 339
7.3.2 Зажигание лампы 3 7.3.3 Электрические и энергетические параметры лампы в установившемся режиме 344
7.3.4 Параметры плазмы индукционного разряда 349
7.3.5 Светотехнические характеристики лампы 352
7.4 Исследования лампы мощностью 300-400 Вт 355
7.4.1 Размеры и параметры лампы и индуктивной катушки 355
7.4.2 Электрические характеристики лампы 355
7.4.3 Светотехнические характеристики лампы 357
7.4.4 Параметры плазмы индукционного разряда 358
7.5 Выводы по Главе 7 360
ГЛАВА 8: Бесферритные незамкнутые индукционные лампы на частотах 300-15 000 кГц
8.1 Конструкция лампы 362
8.1.1 Разрядная трубка 362
8.1.2 Индуктивная катушка 363
8.2 Зажигание индукционного разряда 365
8.2.1 Зажигание разряда на частотах 100-1000 кГц 365
8.2.2 Зажигание разряда на частотах 1-20 МГц 368
8.3 Электрические характеристики индукционного разряда в установившемся режиме 371
8.3.1 Электрические характеристики ламп на частотах 100-1000 кГц 371
8.3.2 Электрические характеристики ламп на частотах 2- 14 МГц 376
8.4 Световые характеристики ламп 378
8.4.1. Световые характеристики ламп на частотах 200-1000 кГц 378
8.4.2 Световые характеристики ламп на частотах 2-14 мГц 381
8.5 Выводы по Главе 8 384
Заключение 386
Список литературы
- Колбы с полостью, индуктивной катушкой и ферромагнитным сердечником
- Распределение параметров плазмы в бесферритных индукционных лампах в замкнутых трубках
- Индуктивные катушки
- Влияние инертного газа и температуры окружающей среды на зажигание емкостного разряда
Введение к работе
Актуальность работы
Люминесцентные лампы (ЛЛ) с внутренними электродами являются одним из самых эффективных и широко применяемых источников света. Трубчатые прямые ЛЛ, работающие на переменном токе частотой от 50 Гц до 20 кГц и на мощностях от 13 до 80 Вт, имеют хорошие цветовые характеристики (цветовая температура Тц = 3000 - 6000 К, общий индекс цветопередачи Ra = 60 - 90), быстрое разгорание (< 1 мин), мгновенное перезажигание и высокие световые отдачи до 100 лм/Вт. Однако, ток ЛЛ ограничен «сверху» (I < 1 А), а давление инертного (буферного) газа «снизу» (ри.г. > 1 мм рт.ст.) интенсивным и быстрым разрушением оксидного слоя, нанесенного на внутренние электроды ЛЛ, приводящим к выходу лампы из строя.
С начала 80-х годов прощлого века ведется разработка безэлектродных газоразрядных люминесцентных источников света, использующих для генерации ультрафиолетового излучения плазму индукционного разряда, возбуждаемую в колбе внешним высокочастотным (ВЧ) индуктором. Индукционные лампы имеют простую конструкцию, хорошие световые и эксплуатационные характеристики и параметры, не уступающие таковым ЛЛ с внутренними электродами. А ресурс индукционных ламп 60000–100 000 ч значительно превышает срок службы традиционных ЛЛ. Безэлектродные люминесцентные индукционные лампы лишены тех ограничений на конструкцию вакуумного блока и на давление инертного газа, которые имеют ЛЛ с внутренними электродами. Они могут иметь практически любую конфигурацию, определяемую конструкцией и размерами ВЧ индуктора и газоразрядной колбы, и способны работать в широком диапазоне мощностей 15-500 Вт при весьма низких для традиционных ламп давлениях инертного газа 0,01-0,1 мм рт.ст. Это открывает возможности для создания новых типов индукционных люминесцентных ламп и улучшения характеристик и параметров существующих: снижением мощности потерь в ВЧ индукторе и повышением световой отдачи плазмы. Важную роль в повышении конкурентоспособности индукционных ламп играет возможность снижения их себестоимости, веса, габаритов, а также простота конструкции лампы и дешевизна технологического процесса их изготовления.
Существенным прогрессом в технологии индукционных ламп стало бы снижение частоты питающего их напряжения, что привело бы не только к ослаблению психологического барьера, связанного с эксплуатацией ламп, питающихся от генератора ВЧ мощности, но и к ряду технических преимуществ, повышающих энергетическую эффективность всего источника света, упрощающих конструкцию лампы и снижающих себестоимость источника света и стоимость его технического обслуживания. С уменьшением частоты генератора возрастает его к.п.д. и снижается уровень создаваемых ВЧ индуктором и плазмой электромагнитных помех, что устраняет необходимость экранировки лампы и упрощает ее конструкцию. Наконец, работающий на низких частотах 100-400 кГц электронно-пускорегулирующий аппарат (ЭПРА) можно размещать на значительном от лампы расстоянии (до нескольких метров), что упрощает обслуживание источника света и значительно расширает сферу его применения.
В связи с вышеизложенным представляется актуальным:
Проведение экспериментальных и теоретических исследований индукционных разрядов низкого давления в парах ртути и инертного газа в широком диапазоне частот ВЧ поля, мощности лампы, давления инертного газа, параметров ВЧ индуктора, размеров вакуумного блока.
Создание новых типов эффективных безэлектродных индукционных люминесцентных источников света, как с магнитным усилением, так и бесферритных, работающих на относительно низких частотах ВЧ поля 100-1000 кГц и низких давлениях инертного газа ри.г. < 0,5 мм рт.ст.
Усовершенствование конструкций и характеристик существующих типов индукционных люминесцентных ламп, работающих на низких частотах.
Результаты работы могут быть использованы в качестве базы данных для исследователей индукционных разрядов низкого давления, для разработчиков источников УФ излучения, стандартов оптического излучения, источников плазмы, применяемых в плазменной технологии, источников ионов и других технологических применений плазмы низкого давления.
Основные цели работы
1. Создание нового направления в газоразрядных индукционных люминесцентных источниках света: индукционные люминесцентные лампы на низких частотах возбуждения f = 100-400 кГц, высоких удельных мощностях плазмы Р1 > 1 Вт/см и низких давлениях инертного газа ри.г. < 0,5 мм рт.ст.
2. Систематическое исследование электрических, энергетических и световых характеристик индукционных люминесцентных ламп различных типов в широком диапазоне условий питания (мощности лампы, частоты ВЧ поля), параметров ВЧ индуктора, размеров разрядной колбы/трубки и давления рабочей смеси.
3. Создание комплексной модели индукционной люминесцентной лампы низкого давления на частотах возбуждения (ВЧ поля) f = 0,1–15 мГц, включающей трансформаторную модель индукционного разряда, электродинамическую модель индукционной плазмы, уравнения мощности потерь в ВЧ индукторе и эмпирические соотношения, связывающие световые характеристики лампы с конструктивными параметрами разрядной колбы и условиями питания разряда.
4. Создание новых типов эффективных бесферритных индукционных люминесцентных ламп в замкнутых и незамкнутых разрядных трубках, в которых плазма индукционного разряда возбуждается ВЧ током индуктивной катушки, размещенной по периметру трубки.
5. Создание индукционных люминесцентных ламп с полостью, работающих на относительно низких частотах 100-150 кГц на уровнях мощности от 25 до 500 Вт.
6. Создание новых типов ламп трансформаторного типа на частотах 100-400 кГц.
Основные положения, выносимые на защиту, и научная новизна работы
В диссертационной работе впервые получены следующие результаты:
1. На основе трансформаторной модели индукционного разряда, электродинамических моделей ВЧ индукционного разряда низкого давления, уравнений мощности потерь в ВЧ индукторе и эмпирических соотношений для напряженности ВЧ электрического поля и световой отдачи плазмы диссертантом предложена комплексная модель индукционной люминесцентной лампы, связывающая электрические, энергетические и световые характеристки лампы с конструктивными параметрами вакуумного блока, ВЧ индуктора и плазмы индукционного разряда. Получены аналитические выражения, связывающие параметры плазмы индукционного разряда и мощность потерь в ВЧ индукторе с конструктивными параметрами лампы и условиями ее питания.
2. Созданы математические модели расчета плазмы индукционных разрядов низкого давления в разрядных бесферритных замкнутых и незамкнутых трубках, возбуждаемых индуктивной катушкой с витками, расположенными паралелльно оси разрядной трубки. На основе моделей рассчитано пространственное распределение напряженности ВЧ индукционного электрического поля, плотности разрядного тока и объемной плотности мощности плазмы индукционного разряда.
3. Экспериментальными исследованиями зажигания емкостного и индукционного разрядов, возбужденных ВЧ индуктором на частотах 100-15000 кГц в смеси паров ртути и инертного газа низкого давления, установлено, что зажиганию индукционного разряда предшествует зажигание емкостного разряда. Анализ двух типов ВЧ электрических полей, емкостного и индукционного, генерированных током индуктивной катушки показал, что вблизи витков катушки напряженность емкостного поля в несколько раза превышает напряженность индукционного поля.
4. Экспериментально обнаружено, что на частотах ВЧ поля 100–1000 кГц напряженность ВЧ электрического поля зажигания индукционного разряда и ВЧ
напряжение на индуктивной катушке не зависят от частоты поля. ВЧ ток катушки и мощность зажигания индукционного разряда уменьшаются с частотой ВЧ поля.
Результаты эксперимента находятся в хорошем согласии с результатами расчета, проведенного в рамках комплексной модели индукционной лампы.
5. Экспериментальные исследования, проведенные в установившемся режиме работы индукционных ламп с полостью и ламп трансформаторного типа с кольцевыми магнитопроводами, показали что характер зависимости мощности потерь в ВЧ индукторе от мощности лампы определяется отношением частот / и величиной добротности плазменного витка/шнура Q2. На низких частотах ВЧ поля / <<1 и низкой добротности плазмы Q2<< 1, повышение мощности плазмы и частоты ВЧ поля вызывает уменьшение мощности потерь в ВЧ индукторе.
6. Экспериментально обнаружено, что на частотах ВЧ поля < световая отдача плазмы pl = Ф/Рpl не зависит от частоты ВЧ поля, но уменьшается с мощностью плазмы со скоростью, практически не зависящей от мощности плазмы, но возрастающей с давлением инертного газа и уменьшающейся с размером разрядного промежутка. К.п.д. ВЧ индуктора с возрастает с увеличением мощности лампы, ассимптотически приближаясь к 1.
7. Экспериментально установлено, что на частотах ВЧ поля f = 100-10 000 кГц световая отдача лампы v есть произведение световой отдачи плазмы pl на к.п.д. ВЧ индуктора с, а ее зависимость от мощности лампы имеет максимум, сдвигающийся в сторону меньщих мощностей лампы с увеличением частоты ВЧ поля, давления инертного газа, сечения сердечника/магнитопровода, диаметра разрядной трубки/колбы и с уменьшением длины плазменного витка/щнура. Зависимость световой отдачи лампы от давления инертного газа имеет максимум, который с увеличением мощности лампы и размеров разрядной колбы/трубки сдвигается в сторону меньших давлений.
8. Предложены, сконструированы и экспериментально апробированы два новых типа бесферритных безэлектродных индукционных люминесцентных ламп в
замкнутых и незамкнутых разрядных трубках, возбуждаемых ВЧ током индуктивной катушки, охватывающей лампу по ее продольному периметру. Лампы
работают на частотах ВЧ поля 200-15 000 кГц и мощностях 100-500 Вт со световыми отдачами 80-90 лм/Вт.
9. Предложены, сконструированы и исследованы мощные 300-450 Вт индукционные люминесцентные лампы с двумя полостями и ВЧ индукторами, симметрично размещенными на оси цилиндрической разрядной колбы. Лампы работают на частоте 130-400 кГц со световыми отдачами свыше 90 лм/Вт.
10. Предложены, сконструированы и экспериментально исследованы новые модификации ламп трансформаторного типа: а) с одной индуктивной катушкой, охватывающей кольцевые магнитопроводы и б) с разрядной трубкой эллиптического сечениия. Лампы работали на частотах 100-150 кГц и мощностях 60-300 Вт со световой отдачей свыше 90 лм/Вт.
11. На основе результатов проведенных в работе исследований диссертантом предложены, сконструированы и разработаны:
а) эффективные (v > 90 лм/Вт) индукционные люминесцентные лампы с полостью и ферромагнитным сердечником, работающие на частоте 135 кГц и уровнях мощности от 40 до 450 Вт;
в) компактная индукционная люминесцентная лампа с ЭПРА, встроенным в цоколе лампы, работающая на частотах 130-200 кГц и мощностях 20-25 Вт со световой отдачей 70 лм/Вт.
Результатом исследований свойств и характеристик индукционных люминесцентных ламп низкого давления, проведенных в диссертации в широком диапазоне частот ВЧ поля и мощности лампы, конструкций ВЧ индукторов и конструктивных параметров разрядных колб и трубок стало создание нового направления в технологии индукционных люминесцентных источников света: низкочастотные 100-400 кГц безэлектродные индукционные люминесцентные лампы с низким давлением инертного газа 0,01- 0,3 мм рт.ст. работающие на высоких удельных мощностях плазмы 1,5–15 Вт/см со световой отдачей 80-100 лм/Вт.
Практическая значимость работы
1. Полученные в работе аналитические выражения могут быть использованы для создания эффективных инженерных методов расчета характеристик и конструктивных параметров безэлектродных газоразрядных источников излучения.
2. Рассчитанные для частот ВЧ поля 100-400 кГц характеристики и параметры плазмы индукционного разряда низкого давления позволяют оценить, насколько оптимально выбраны конструктивные параметры и условия питания индукционных люминесцентных ламп, и наметить пути их улучшения.
3. Разработаны, исследованы и доведены до опытного образца индукционные люминесцентные лампы с полостью, работающие на частоте 135 кГц со световой отдачей 94-95 лм/Вт. На их основе фирмой Matsushita (Panasonic) выполнены инженерные разработки и налажен промышленный выпуск индукционных источников света различной мощности: Everlight 50, Everlight 150 и Everlight 240.
4. Разработана, исследована и доведена до опытного образца компактная индукционная люминесцентная лампа мощностью 23 Вт, работающая на частоте 100 кГц со световой отдачей 65 лм/Вт. На ее основе фирмой Matsushita (Panasonic) разработаны два компактных люминесцентных источника света марки Pa-look Ball со сроком службы 30 тыс. часов, работающих на частоте 480 кГц: а) 12 Вт (световой поток 800 лм); b) 20 Вт (световой поток 1300 лм).
5. Впервые предложены и экспериментально апробированы бесферритные индукционные люминесцентные лампы с прямой и замкнутой (кольцевой) трубкой, возбужденные ВЧ током индуктивной катушки с продольным расположением витков. Лампы работают на частотах 0,3 - 14 МГц и мощности 100-200 Вт со световой отдачей 83-85 лм/Вт. Они отличаются простотой конструкции и представляют практический интерес для ламп общего освещения и для источников УФ излучения.
6. Разработаны методы контроля температуры ртутной амальгамы, обеспечивающие в заданном интервале температур окружающей среды
максимальный световой поток лампы. Предложены метод и конструкция устройства, поддерживающие температуру индуктивной катушки и ферромагнитного сердечника ниже критической.
7. Диссертантом получены 19 патентов США на конструкции и материалы индукционных люминесцентных ламп и методы контроля их параметров.
8. Результаты исследований включены в программы курсов «Источники оптического излучения», «Тенденции развития источников света и ПРА» и «Расчет и конструирование источников света» и легли в основу учебного пособия «Индукционные источники света» для бакалавров и магистров светотехнической специальности (Изд. дом МЭИ, 2010, 64 с.)
Достоверность полученных результатов
1. Измерения проводились на большом количестве экспериментальных образцов при широком варьировании конструктивных параметров вакуумных блоков и ВЧ индукторов с применением современного высокоточного измерительного оборудования.
2. По результатам исследований предложены, сконструированы и разработаны опытные образцы индукционных люминесцентных ламп, которые легли в основу промышленных изделий, светотехнические и эксплутационные параметры которых соответствуют таковым, полученным диссертантом в ходе исследований.
3. Результаты расчетов электрических и энергетических характеристик индукционных разрядов, проведенных диссертантом в рамках развитой им модели, находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными.
Апробация работы и публикации
Список работ, в которых нашли свое отражение основные результаты диссертации, содержит 45 публикаций, в том числе одна монография, 20 статей в ведущих научно-технических журналах из списка ВАК и 19 патентов США. Материалы диссертации докладывались на отечественных и зарубежных конференциях и симпозиумах (International Symposium on Science and Technology of Light Sources, International Сonference on Phenomena in Ionized Gases, Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов и др.)
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, восьми глав и заключения. Общий объем диссертации (без Приложения) - 412 страниц машинописного текста, включающего 236 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 247 наименований.
Колбы с полостью, индуктивной катушкой и ферромагнитным сердечником
В сентябре 1968 года, на ежегодной конференции американского светотехнического общества (IES) сотрудник компании General Electric Джон Андерсон предложил использовать в качестве люминесцентного источника света ВЧ лампу трансформаторного типа («плазменный трансформатор») [30]. Сейчас трудно установить, кому первому пришла идея «плазменного трансформатора» -Эккерту или Андерсону (патент Андерсона на «Безэлектродное газоразрядное устройство, использующее ферромагнитный сердечник», опубликованный 10 марта 1970 г. [31], был подан в июле 1967 года, за три года до получения редакцией AIAA Journal обсуждаемой выше статьи Эккерта). В последующие 10 лет Андерсон разработал несколько типов безэлектродных ламп, использующих различные способы передачи электромагнитной энергии газоразрядной плазме с использованием индуктивных катушек и ферромагнитных (а не железных, как у Эккерта) сердечников/магнитопроводов [32-36]. Так, что он по праву может считаться основоположником нового направления в люминесцентных источниках света, которое можно назать «индукционные люминесцентые лампы».
Но если Эккерта интересовала возможность питания индукционного разряда непосредственно от генератора 60 Гц, а эффективность лампы и потери мощности в магнитопроводе, его не интересовали, то для Андерсона получение высокой энергетической эффективности лампы и минимизация потерь в магнитопроводе были основными техническими задачами. Поэтому, Андерсон работал на более высоких, чем Эккерт, частотах 100 - 200 кГц, где при тех же ВЧ напряжениях на лампе и тех же электрических полях плазмы, магнитное поле в сердечнике ниже, а, следовательно, ниже потери мощности в магнитопроводе.
Для исследования характеристик индукционных ламп и измерения потерь мощности в ферромагнитных магнитопроводах Андерсон сконструировал несколько люминесцентных индукционных источников света. Каждый состоял из круглой замкнутой лампы, диаметром 28 см, изготовленной из стеклянной цилиндрической трубки, на которую были плотно и симметрично посажены два кольцевых (замкнутых) магнитопровода, каждый сечением Sfer= 13 см и высотой 2,54 см (рис. 1-3). Разрядные трубки диаметром 8 мм и 12 мм были покрыты на вакуумной поверхности стенок люминофором и заполнены парами ртути (50 мг) и аргоном, давление которого варьировалось от 0,5 до 5 мм рт.ст. В работе использовались индуктивные катушки с 2 и 3 витками, намотанные на оба магнитопровода и соединенные параллельно. Материал и калибр провода катушек в статье не приводится, равно как не обсуждаются потери мощности в них, которые Андерсон вполне обоснованно полагал несущественными.
Расчеты потерь в магнитопроводе в диапазоне частот электромагнитного поля 50-1000 кГц проводились в обсуждаемой статье Андерсона в предположении, что индуцированное в лампе ВЧ напряжение V2 равно 60 В, что при длине разряда АР1 = 88 см соответствует электрическому полю в плазме Ері = 0,68 В/см. Результаты расчета дали хорошее согласие с измеренными на частотах 200 кГц и 400 кГц и показали, что при работе лампы на мощности 60 Вт, потери мощности в магнитопроводе, изготовленном из самого «эффективного» (для конца 60-х годов XX века) ферромагнетика, превышали 30 Вт [30]. Измерения ВЧ напряжения на индуктивной плазме V2, проведенные на частоте 400 кГц в широком диапазоне разрядных токов 1р! = 0,01 - 1,0 А, обнаружили, что минимальное напряжение на плазме V2 — 60 - 70 В достигается в трубке с меньшим диаметром Д = 8 мм, при давлении аргона 1,0 - 2,5 мм рт.ст. Увеличение диаметра трубки до 12 мм без изменения давления рабочего газа привело к росту ВЧ напряжения на лампы до 90-100 В, что повысило потери мощности в магнотопроводе до 60 - 70 Вт.
Андерсон не приводит в статье результатов измерений световой эффективности (световой отдачи) исследуемых им индуктивных ламп трансформаторного типа. Однако, представляется очевидным, что при 50% потерях мощности в магнотопроводе трудно ожидать высоких световых отдач лампы. Добавим, что измеренные Андерсоном потери мощности в преобразователе частоты показали, что эффективность транзистора не превышает 72%. Андерсон также провел измерения электромагнитных помех (ЭМП), создаваемых «плазменным трансформатором», работающим на мощностях Р 100 Вт на частотах 200 - 400 кГц. Они показали, что уровень помех значительно ниже максимально допустимого уровня, установленного американской службой FCC.
В опубликованном в 1970 году патенте Андерсон делает заявку на три модификации индуктивной газоразрядной лампы, две из которых основаны на принципе «плазменного трансформатора» [31]. Тогда же Андерсон получает патент компактной индукционной лампы с ферромагнитным сердечником в форме стержня, помещенном в «сквозной» полости, расположенной на оси эллиптической разрядной камеры [32]. В лампе использовались две индуктивных катушки, намотанные на ферромагнитный сердечник. Одна из них, с большим числом витков, использовалась для зажигания в колбе вспомогательного емкостного разряда; вторая - с меньшим числом витков - использовалась для зажигания и поддержания в колбе индукционного разряда. Преобразователь частоты (из 60 Гц в 50 кГц) был размещен в базе лампы с цоколем Эдисона.
Андерсон предложил использовать для закрепления сердечника с катушками тонкостеночныи металлический «отражающий» цилиндр. И хотя в тексте патента нет ни слова об экранировании электромагнитного и электростатического поля «отражающим» цилиндром, продольная щель в последнем, позволяющая ВЧ полям проникать в объем колбы, свидетельствует о том, что Андерсон понимал проблемы ЭМП и принял меры для их уменьшения. В то же время, как писал в последующих патентах Андерсон, незамкнутый сердечник создает, в отличие от замкнутого магнитопровода, электромагнитные поля вне сердечника, что делает его источником электромагнитных помех [33,34].
Распределение параметров плазмы в бесферритных индукционных лампах в замкнутых трубках
Разрядные колбы в безэлектродных индукционных лампах представляют собой стеклянные вакуумно-плотные «герметически замкнутые оболочки той или иной формы, прозрачные для оптического излучения» [151]. Стенки колбы являются естественными границами разрядной плазмы и потому влияют на баланс заряженных частиц и энергетический баланс плазмы, определяют ее форму, размеры, электрические и энергетические характеристики при зажигании и в стационарном режиме. На «вакуумной» поверхности стенок колбы нанесены защитное и люминофорное покрытия. К стенкам колбы приварен штенгель, где у некоторых типов индукционных ламп расположена холодная зона с капелькой ртути, либо ртутная амальгама, температура которой контролирует давление паров ртути в колбе. 3.1.2 Материал колбы/трубки
Требования к материалу (стекло) колбы индукционной лампы во многих отношениях такие же, как к стеклу колб в ЛЛ. Он должно быть недорогим и технологичным и обладать механической прочностью, чтобы выдерживать внешнее атмосферное давление; обладать высокой электроизоляционностью; быть химически стойким к ртути и ее соединениям. Стекло должно быть газонепроницаемым при рабочих температурах лампы, не поглощать инертные газы, не выделять вещества, влияющие на физико-химические процессы в плазме и газовой смеси и на состав и работу люминофора; быть прозрачным для видимой части оптического спектра.
В индукционных безэлектродных лампах нет ни вакуумно-плотных вводов, ни впаев металла со стеклом, что значительно упрощает и удешевляет конструкцию колбы и делает более надежной работу лампы, поскольку вакуумный впай - одни из основных «источников» натекания атмосферного воздуха в колбу.
Известно, что чем выше температура обработки колбы на откачном посту, тем ниже в колбе давление остаточных газов и тем медленнее загрязняется и разрушается люминофорное покрытие на стенках колбы. В результате, спад светового потока лампы происходит медленнее, что ведет к увеличению срока ее (лампы) службы. Поэтому, в лампах большой мощности (150-400 Вт), работающих при низких давлениях инертного газа (0,01 - 0,05 мм рт.ст.), в качестве материала колбы применяют тугоплавкие стекла с температурой размягчения 600 - 650С (вольфрамовое и молибденовое стекло), что позволяет обрабатывать колбу на откачном посту при температурах 500 - 550С.
Серьезной проблемой может стать дрейф атомов металлов (свинец, натрий), входящих в состав стекла стенок колбы, в обьем колбы. Он происходит в тех местах стенок колбы, где расположен провод индуктивной катушки, находящийся под высоким ВЧ потенциалом, под действием которого в стенках колбы возникают ВЧ токи проводимости. Этот процесс, эффективность которого возрастает с увеличением температуры стекла, приводит к загрязнению люминофора и его быстрой деградации. Поэтому те части колбы, вблизи которых расположены витки катушки, изготавливаются из стекла «пирекс» (Ругех), в котором отсутствуют атомы натрия и свинца [138, 139, 140]. Колба, вблизи стенок которой нет витков катушки с высоким ВЧ потенциалом (например, в лампах трансформаторного типа), обычно изготавливается из менее тугоплавкого натриевого стекла (Soda-lime) [122, 143, 206, 214].
Размеры разрядной колбы (трубки, полости): ее диаметр и высота (Di/Dt,, Dcav, Hb и Hcav), длина трубки (Lt), обьем колбы/трубки (Vb), площадь поверхности стенок колбы/трубки и полости (Sw) - выбираются по следующим критериям: 1. Максимизация световой отдачи лампы TJV, которая определяется несколькими факторами: А) К.п.д. ВЧ индуктора (контура возбуждения индукционного разряда) г\с. В отсутствии иных потерь мощности, к.п.д ВЧ индуктора рассчитывается как: ?1с=(Р-Рс)/Р = 1-Рс/Р (2-83) где Рс - суммарные потери мощности в ВЧ индукторе, складывающиеся из потерь мощности 1) в проводе индуктивной катушки Pcoli\ 2) в ферромагнитном сердечнике (магнитопроводе) Pfer. Б) К.п.д. устройства, охлаждающего ВЧ индуктор, в состав которых входят металлические детали (алюминий, медь). Потери мощности в охлаждающем устройстве РсоЫ могут быть весьма значительными и составлять до 50% от общих потерь в контуре возбуждения. Поэтому, в процессе разработке индукционных ламп (в частности, колб с полостью) нами уделялось большое внимание конструированию охлаждающих ВЧ индуктор устройств с потерями в них не превышающими 0,5 Вт (см. раздел 3.5 и Приложение 4) [137, 138, 139, 140, 155, 167, 169, 170, 209, 212, 214, 220, 227, 230]. В) К.п.д электростатического экрана (щит Фарадея), устраняющего (или значительно снижающего) емкостную связь индукционной плазмы с ВЧ индуктором. Благодаря этой связи потенциальное (емкостное) ВЧ поле, создаваемое ВЧ напряжением между витками индуктивной катушки, проникает в слой пространственного заряда, возникающий между плазмой и стенкой колбы (полости, трубки), вблизи которой расположена катушка индуктивности [155, 159, 175]. ВЧ напряжение, создаваемое в слое потенциальным (емкостным) ВЧ электрическим полем, формирует в нем (слое) постоянное (выпрямленное) электрическое поле, ускоряющее ионы ртути из плазмы в направлении стенок колбы (полости, трубки), к которым примыкает индуктивная катушка [115, 120, 173, 175, 180]. В результате бомбардировки ионами ртути стенок колбы (полости, трубки) разрушается нанесенное на них люминофорное покрытие, что сокращает срок службы лампы.
Введение экрана препятствует проникновению ВЧ емкостного поля в пристеночный слой и снижает энергию ионов, бомбардирующих стенки колбы, повышая срок службы лампы. Однако, генерируемое ВЧ током катушки магнитное поле, индуцирует в экране вихревые ВЧ токи, что приводит к потере в материале экрана части ВЧ мощности (Pfar), поглощаемой лампой. Величина PFar может быть сопоставима с Pcoil и с мощностью потерь в ферромагнитном сердечнике Pfer и потому требуются специальные конструктивные решения для ее снижения [155, 137, 158, 159, 183, 214].
Индуктивные катушки
Подобная зависимость Ер1 от рАг наблюдается и в мощных индукционных лампах низкого давления (колба с полостью, трансформаторная лампа, прямая бесферритная трубка), работающих на частотах от 25 кГц до 14 МГц [127, 128, 145, 206, 214]. Как следует из трансформаторной модели ВЧ разряда, увеличение напряженности Epi ведет к возрастанию тока катушки 1С, а с ним потерь мощности в ВЧ индукторе Рс, складываемых из потерь мощности в проводе индуктивной катушке Рсоц и в сердечнике Pfer Рс = Pcoil + Pfer = Ic Re + PferVfer= {EplAplNf!kcoLcQc + 3M103aVfer(EplAPi? 65/k1J3fSfer2 65 (3-25) Из (3-25) видно, что потери мощности в проводе катушки растут как (Ері) а в ферромагнитном сердечнике как {Ёр 2 въ. В результате, падает к.п.д. ВЧ индуктора rjc и уменьшается световая отдача лампы rjv
На рис. 3-20 приведены зависимости мощности потерь в ВЧ индукторе Рс от мощности лампы Р, измеренные в лампе трансформаторного типа в трубке с эллиптическим сечением при различных давлениях криптона/?м г [206].
Из приведенных данных следует, что увеличение давления криптона (от 0,3 мм рт.ст.) сначала ведет к уменьшению Рс, а затем к росту мощности потерь в магнитопороводе (Глава 6), что коррелирует с экспериментальными зависимостями напряженности электрического поля в ЛЛ в смеси паров ртути с криптоном и рассчитанной нами зависимостью напряженности ВЧ электрического поля в плазме Ері от риг. Расчеты Рс, проведенные по (3-25) находятся в удовлетворительном согласии с результатами нащих измерений. 3.8.2 Влияние давления инертного газа на выход резонансного излучения в ЛЛ и индукционных люминесцентных лампах
Экспериментальные исследования ЛЛ на малых разрядных токах Ірї 0,5 А показали, что при давлениях инертного тазариг. = 0,05 - 5,0 мм рт.ст. удельные потоки излучения обоих резонансных линий атома ртути ФД185 нм) и Ф;(254 нм) возрастают с увеличением разрядного тока, но практически не зависят от давления инертного газа [153, 188, 189, 195]. В ЛЛ с большими токами Ірї 0,6 А (то есть, высокой плотности плазмы Ne) удельные потоки излучения обеих резонансных линий возрастают с уменьшением давления буферного газа, причем тем «круче», чем выше разрядный ток [153, 188, 189, 195]. Зависимость удельных потоков излучения Ф]ст (185 нм) и Ф]ст (254 нм) от давления инертного (буферного) газа риг имеет максимум, который с увеличением разрядного тока сдвигается в сторону более низких значений риг [153, 188, 189, 195]. Например, в ЛЛ диаметром 1,9 см, работающей на разрядном токе 1р! = 0,6 А максимумы удельных потоков резонансных линий достигаются при давлении аргона рАг = 0,5 мм рт.ст. А в той же трубке, но с большим разрядным током lpi = 2 А максимум резонансного излучения приходится на более низкие давления аргона рАг — 0,05 -0,1 мм рт.ст. [189].
Известно, что влияние диаметра разрядной трубки D на удельные потоки излучения обеих резонанасных линий различно: если удельный поток ФД254 нм) слабо зависит от диаметра трубки, то удельный поток излучения линии ФД185 нм) уменьшается с увеличением диаметра трубки [151, 189]. Применительно к индукционным лампам высокой мощности это означает, что снижение давления инертного газа до 0,01-0.05 мм рт.ст. с одновременным увеличением диаметра разрядной трубки (колбы) позволяет достичь максимального для данной мощности удельного (а значит и полного) потока линии 254 нм с одновременным снижением потока излучения линии 185 нм. Снижение интенсивности излучения линии 185 нм желательно из-за его разрушительного действия на люминофорное покрытие. К сожалению, систематических работ по исследованию интенсивности УФ излучения в индукционных лампах, предназначенных для общего освещения и работающих в смесях паров ртути и инертных газов на низких давлениях ри г. = 0,01 - 0,5 мм рт.ст., практически нет. В Институте теплофизики Сибирского отд. РАН в 90-е годы XX века были проведены исследования влияния давления паров ртути и мощности плазмы на выход излучения УФ резонансных линий 185 нм и 254 нм и на световую отдачи мощных (Рр\ = 2-100 кВт, Picm = 10-500 Вт/см) индукционных ламп трансформаторного типа, работающих на частотах 25 - 250 кГц без буферных газов [192, 193]. К сожалению, результаты этих работ могут быть лишь отчасти применены для индукционных люминесцентных ламп, работающих на существенно более низких мощностях 20 - 400 Вт с удельными мощностями, не превышающими 15 Вт/см [140, 143, 212, 214]. 3.8.3 Влияние давления инертного газа на световую отдачу плазмы.
Световая отдача плазмы r\ph рассчитываемая как Ф/Ррі определяется более, чем на 90% выходом резонансного излучения линий 254 нм и 185 нм, преобразующихся в видимый свет в люминофорном слое на стенках разрядной камеры (колбы, трубки). Поскольку давление инертного (буферного) газа риг влияет на выход излучения УФ линий 254 нм и 185 нм, то оно также влияет и на световую отдачу плазмы rjpt. Об этом можно судить по экспериментальным данным rjpi, приведенным на рис. 3-21ъ зависимости от мощности плазмы Рр!, полученным нами при различных давлениях криптона. Измерения проводились в лампе трансформаторного типа с разрядными трубками эллиптического сечения и размерами а = 38 мм, Z? = 59 мм, L = 400 мм, Н = 200 мм (рис. 2-5) [206]. Лампа работала на частоте 135 кГц и мощности лампы от 60 до 120 Вт.
Из приведенных данных следует, что, во-первых, световая отдача плазмы монотонно уменьшается с ростом мощности плазмы Рр1. Во-вторых, чем выше давление буферного (инертного) газа риг., тем «круче» спадает rjpi с ростом Pph т.е, тем больше «скорость» уменьшения световой отдачи с мощностью плазмы В = drjpi/dPpi. В-третьих, чем выше мощность плазмы (фактически, лампы, т.к. Ppi » Рс), тем ниже оптимальное давление инертного газа, обеспечивающее максимум световой отдачи плазмы г\р\.
Аналогичный характер зависимости световой отдачи плазмы цр1 от мощности плазмы РР1 и от давления инертного газа обнаружен экспериментально в других типах индукционных ламп, исследованых в диссертации. Парис. 3-22 приведена зависимость световой отдачи плазмы от мощности плазмы в лампе с полостью, работающей на частоте 135 кГц при давлениях аргона: 0,009; 0,03 и 0,1 мм рт.ст.
Влияние инертного газа и температуры окружающей среды на зажигание емкостного разряда
Как и в индукционных лампах, работающих на частотах / = 1,5-16 МГц, в лампах, работающих на более низких частотах / = 100-400 кГц, индуктивные катушки имели соленоидальную форму и наматывались на ферромагнитный сердечник. Как правило, между заземленным сердечником и находящимся под ВЧ потенциалом проводом катушки размещалась диэлектрическая изолирующая бобина толщиной 1 мм (рис. 3-11). Катушки изготовлялись из литцендрата с различным числом жил (Nst = 9 - 108) каждая калибра 40; количество витков в катушке N варьировалось от 20 до 60 в зависимости от мощности лампы и ее размеров. Диаметр катушки DC0n был на 1 мм больше внешнего диаметра сердечника ODfer и на 1-1,5 мм меньше внутреннего диаметра полости IDcav. Высота катушки Нсоц определялась количеством витков катушки N и диаметром провода (литцендрата) Dw, который зависел от количеством жил в проводе Nst: от 0,3 мм (Nst = 9) до 1,5 мм (Nst = 108) (см Главу 3). Во всех измерениях использовалась «сжатая» катушка (Аш = 0). В некоторых случаях, когда требовалось очень высокая добротность катушки Qcoil 400, применялась «сдвоенная» катушка, повышавшая почти вдвое ее индуктивность и, соответственно, добротность ВЧ индуктора.
Активное сопротивление катушки Rcoii расчитывалось по формуле (3-4); длина провода катушки /w рассчитывалась по (3-7). Мощность потерь в проводе индуктивной катушки Рсоа расчитывалась с учетом (3-4) и (3-7) как 7 7 Pcoil = 1с Rcoil = Ic pw7zDcoiiN (5-1) где Ic - ток индуктивной катушки, pw - удельное (на единицу длины) сопротивление литцендрата.
Для сердечников ВЧ индукторов индукционных ламп использовались мягкие ферромагнетики, изготовленные на основе окиси железа с применью цинка марганца. Анализ характеристик мягких ферромагнетиков, оптимальных для работы на частотах ВЧ поля / = 100-500 кГц, проведенный в соответствии с критериями, обсуждаемыми в Гл. 3, привел к выбору марок R и Р. (Зависимость удельных потерь мощности ферромагнетиков различных марок pfer = Pfe/Vfer от магнитной индукции Bfer для частоты 100 кГц представлены на рис. 3-9 [154]. Зависимости pfer сердечника марки R от его температуры Tfer даны на рис. 3-10а). Из анализа данных рис. 3-9 и рис. 3-4а следует, что удельные потери мощности Pfer = PfJVfer на частоте /= 100-500 кГц и магнитной индукции Bfer = 400-800 Гаусс, соответствующей ВЧ напряжению на плазменном витке Vph весьма малы в ферромагнетиках Р и R типа и не превышают 100 мВт/см . Здесь Vfer - объем сердечника, расчитываемый в случае полого цилиндра как: Vfer = SferHfer = 0,25nHfer(ODfer2 - Ю/Єг2) (5-2) где Sfer - сечение сердечника, Hfer - высота сердечника, IDfer - внутренний диаметр цилиндра, ODfer - внешний диаметр цилиндра.
Уравнение для мощности потерь в полом цилиндрическом сердечнике Pfer = PferVfer легко получить из формулы для удельных потерь мощности в сердечнике, изготовленном из MnZn ферромагнетиков марок Р и R и работающем на частотах /= 100-500 кГц (3-16), и выражения для обьема сердечника (5-2): Pfer = 2,98 xK?aHfer(EplAp])2 65/kuif(ODfer2 - IDfe2)165 (5-3) В индукторе с ферромагнитным сердечником максимальное значение к = 0,9, которое соответствует условию, когда внешний диаметр сердечника близок к внутреннему диаметру полости ODfer IDcav. В этом случае, практически весь магнитный поток, генерируемый катушкой и усиленный ферромагнитным сердечником, проходит через сечение плазменного витка. Применительно к лампе с внутренней полостью и расположенными в ней катушкой и ферромагнитным сердечником это требование выражается как Sfer Scav, где Scav = 7iDcav /4 - сечение полости. Это условие можно записать как: (IDcav -ODfer)2/Dj = {2(DW + Aiso + AFar)}2/DcJ « 1 (5-4) где Dw - диаметр провода катушки, Aiso - толщина диэлектрической бобины между катушкой и сердечником, на которой размещена катушка, AFar - толщина стенок электростатического экрана.
Усредненная по сечению плазмы напряженность ВЧ электрического поля Ер\ расчитывалась в рамках трансформаторной модели индукционного разряда, модифицированной для частот ВЧ поля, на которых импеданс плазменного витка Z2 является практически активным Z2 Rpi. Это справедливо, когда добротность плазменного витка Q2 - coL2/Rpi « 1. В этом случае в выражении (5-3) можно заменить произведение EptApi на V2 = к VJN. Тогда уравнение для Р/ег примет вид:: Pfer = 3000aHferVcl65/(kN)l65f(ODfer2 - IDfJ)165 (5-5)
Принцип работы устройства, охлаждающего ВЧ индуктор и стенки полости, и требования к нему, изложены в Главе 3. Площадь сечения и длина охлаждающей структуры определяются: а) эффективным отводом тепла от индуктора так, что температуры сердечника и индуктивной катушки не поднимаются выше 160С при максимальной температуре внутри светильника Тсв = 60С; б) поддержанием при рабочей мощности лампы температуры расположенной в штенгеле ртутной амальгамы в интервале Tami = 70 - 130С при любой температуре окружающей среды в диапазоне от -30С до +30С. В большинстве исследованных в работе индукционных ламп с полостью главная деталь охлаждающей структуры представляет из себя две цилиндрические трубки, изготовленные из металлического стержня (медь, алюминий), с одинаковым внутренним диаметром, но с разным внешним диаметром (рис. 3-11а ). В некоторых случаях применялись стержни: два охлаждающих и два ферромагнитных (рис. 3-11 Ь,с).
Для расчета параметров плазмы индукционного разряда на низких частотах 100 -500 кГц в работе использовалась модель индукционного разряда для условия со « v. При выполнении этого неравенства частота осцилляции электронов в ВЧ поле не влияет на баланс заряженных частиц в плазме, и проводимость электронов определяется лишь упругими соударениями электронов с атомами буферного газа и ртути. На рабочих частотах/ 400 кГц максимальная круговая частота ВЧ поля со = 2,4x10 1/с много меньше суммарной частоты соударений электронов с атомами инертного газа (аргона или криптона) и паров ртути при минимальных в наших экспериментах давлении риг 2x10" мм рт.ст. (NAr = 6x10 1/см ). При таком давлении аргона и давлении паров ртути pHg - 7x10"3 мм рт.ст температура электронов Те = 1,2-2 eV, соответствующие ей средняя скорость электронов ve - (6-8)х10 см/с и сечение упругих соударений с атомами аргона оупр = 5x10" 1/см . Тогда минимальная частота упругих соударений среднего электрона с атомами аргона ve = NAraynpue- 1,4x10 1/с » 2,4x10 1/с. Малость частоты ВЧ поля / сказывается и в том, что на не слишком высоких удельных мощностях плазмы, индуктивная составляющая импеданса плазменного виткав меньше активного сопротивления плазмы Rpi, а Xi = (coLind + coefjRp/ve)2 (coLmd)2« Rp? (5-6)
В этом случае квадрат добротности плазменного витка Q2 « 1, и выражения для параметров первичной и вторичной цепи и макропараметров индукционной плазмы, в том числе для сопротивления Rpi и разрядного тока Iph упростятся. В случаях, где Q2 = coL2/Rpi 0,5, например, в лампах большой мощности Р = 200-300 Вт, где сопротивление плазмы может упасть до весьма малой величины, а геометрическая индуктивность витка не зависит от мощности лампы, должны применятся выражения, учитывающие добротность плазменного витка.
