МЕТАЛЛОГАЛОГЕННАЯ ЛАМПА Российский патент 1996 года по МПК H01J61/18 

Изобретение относится к электротехнической промышленности, в частности к источникам оптического излучения.

Известна металлогалогенная лампа на ксеноновом буфере с добавкой NaI [1] которая содержит избыточное количество йода.

В этой лампе из-за большого холодного давления ксенонового буфера затруднено зажигание разряда.

Известна металлогалогенная лампа [2] принятая за прототип и содержащая горелку из оптически прозрачного материала с герметично установленными электродами. Она наполнена стартовым инертным газом при давлении несколько миллиметров ртутного столба, йодидами Sb, As, Bi,In,Zn,Cd,Pb, а возможно и ртутью, служащими при работе лампы буферным газом, а также йодидами Tl,Sc, Ca, Cs, Dy, Na,Sm,La,Li,Ba, служащими в рабочем состоянии излучающими добавками. Буферный газ отличается повышенными давлением при рабочих температурах горелки, молекулярным весом и содержанием галогена, при этом потенциал ионизации буферного газа (U_иб) должен быть больше такового у излучающих добавок эмиттера (U_иэ).

Такая лампа может иметь пониженную эффективность ввиду того, что условие U_иб > U_иэ не является достаточным для эффективного излучения добавки.

Заявляемое техническое решение позволяет повысить эффективность металлогалогенных ламп путем более обоснованного совместного подбора буфера и эмиттера при одновременном расширении интервала рабочих мощностей.

Это достигается тем, что в металлогалогенной лампе, содержащей оптически прозрачную горелку с герметично установленными электродами, стартовый инертный газ при давлении несколько миллиметров ртутного столба, йодиды металлов с повышенными рабочим давлением, молекулярной массой и содержанием галогена в качестве буфера и йодиды излучающих металлов эмиттера, разность ΔU_в между эффективными усредненными потенциалами возбуждения металла-буфера и металла-эмиттера составляет 0,4-5 эВ. В качестве буферного наполнения могут служить йодиды элементов IV-VI группы 4-6 периодов высоких валентностей.

В связи с тем, что прямой пропорциональности между потенциалом ионизации U_и и усредненным эффективным потенциалом возбуждения нет, а интегральный поток излучения компоненты плазмы Φ в наибольшей степени связан с величиной как
Φ ≈ a · p · exp(-e/kT), (1) где а параметр излучения плазмы; p давление компоненты плазмы (парциальное); k постоянная Больцмана; Т температура плазмы, об излучении добавки (эмиттера) и буфера лучше всего судить по их эффективным потенциалам возбуждения . Величина достаточно просто подсчитывается или определяется экспериментально для любого химического элемента.

Зависимость (1) указывает на необходимость введения определенного критерия при выборе пары буфер-эмиттер на основе требований, предъявляемых к их эффективным потенциалам возбуждения.

Для процесса эффективного излучения необходимо, чтобы
Φ_э ≈ a_э · p_э · exp(-e/kT) >>
>> Φ_б ≈ a_б · p_б · exp(-e/kT), т.е. >, где Φ_э интегральный поток излучения эмиттера; Φ_б интегральный поток излучения буфера.

В этом случае излучение лампы определяется излучением эмиттера, а буферный газ определяет напряжение на лампе и тепловые потери (в большинстве случаев p_б >> p_э). При этом давление буферного газа в холодном состоянии должно составлять малую величину (не более нескольких миллиметров ртутного столба), что определяет важную особенность лампы пониженное напряжение зажигания в холодном состоянии. Кроме того, выбор буфера может быть сделан так, чтобы излучение его металла дополняло излучение в требуемой области спектра (совместно с излучением эмиттера). Таким образом, появляются дополнительные возможности повышения эффективности лампы.

Практически для управления излучением разряда следует знать соотношения между давлением и эффективным потенциалом возбуждения буфера и эмиттера. Разница в потенциалах возбуждения и ионизации атомов излучающей добавки дает возможность повышения выхода излучения последних вплоть до начала их ионизации. К примеру, для подавляющего числа химических элементов, используемых в металлогалогенных лампах, разность между потенциалами возбуждения основных спектральных линий и потенциалами ионизации атомов этих элементов не превышает 5 эВ.

Все вышесказанное дает основание утверждать о необходимости применения критерия превышения эффективного потенциала возбуждения атомов буфера над таковым атомов эмиттера и наличия определенной величины этого превышения, включающей в себя разность между U_иэ и атомов эмиттера, а также некоторой величины, учитывающей различного вида потери в разряде.

При выборе величины разницы между и необходимо учитывать следующее.

При разнице ≅ 0,4 эВ превышение Ф_э над Ф_б составляет для области 250-1000 нм порядка 10-20% т.е. явно выделить превышение Ф_э над Ф_б не удается. Это приводит к малым КПД разряда в основных линиях Ф_э, за счет чего эффективность лампы не высока.

С ростом растет отношение Ф_э/Ф_б, однако при разности 4-4,5 эВ рост начинает замедляться и прекращается при ≥ 5 эВ. Это связано с тем, что при больших разностях начинает сказываться ионизация атомов эмиттера и, таким образом, снижается доля его возбужденных атомов, при этом изменяется спектральный состав излучения лампы и падает ее интегральный поток.

Применение йодидов высших валентностей элементов IV-VI групп 4-6 периодов в качестве буферного газа представляет практический интерес, поскольку данные элементы обладают высокими атомной массой, валентностью и давлением паров галогенидов, что важно для достижения достаточного градиента потенциала в столбе разряда, кроме того, высвобождающийся при диссоциации в рабочем состоянии йод также увеличивает градиент. Имея в основном высокий эффективный потенциал возбуждения, такой буфер позволяет применять многие излучающие добавки.

Йод является дополнительным случаем осуществления буфера, он имеет значения потенциалов ионизации и возбуждения, близкие к ртутным, что немаловажно для получения высокотемпературной плазмы, а также достаточно низкое холодное давление паров.

Лампа работает следующим образом.

При подаче высокочастотного импульса на электроды лампы устанавливается разряд в стартовом инертном газе. При разогреве колбы горелки начинает испаряться буферная добавка, которая устанавливает определенный градиент потенциала на лампе. По мере разогрева в разряд поступают излучающие добавки. В рабочем состоянии излучение лампы состоит из мощных линий эмиттера с наложенными на них линиями буфера.

В таблице примеров конкретных исполнений ламп по заявляемому техническому решению в сравнении с лампами по прототипу и с лампами с ксеноновым буфером, как примеров наиболее высокотемпературного с высоким потенциалом возбуждения буфером, представлены параметры, характеризующие эффективность ламп. Эксперименты проводились на трубчатых лампах диаметром 14 мм и межэлектродным расстоянием 100 мм. Для контроля влияния ионизации атомов эмиттера использовалось двукратное увеличение электрической нагрузки на горелку (с 500 до 1000 Вт). Регистрация потока излучения эмиттера позволяла оценить влияние ионизации на его излучение. Происходящее при этом снижение КПД излучения в области 250-1000 нм объясняется прежде всего влиянием ионизации атомов эмиттера, поскольку степень ионизации атомов эмиттера повышается более резко, чем атомов буфера в силу меньшего U_и. При более высоких температурах разряда большее преимущество в излучении получает элемент с более высоким (см.формулу (1)), т.е. элемент буфера. Так или иначе с помощью соответствующего подбора пары буфер-эмиттер можно сильно расширить интервал мощностей, при котором лампа работает эффективно.

По результатам экспериментов 1 и 2 можно сказать, что ксеноновый буфер в данном режиме не может считаться оптимальным в 1-м опыте, во 2-м может.

Результаты экспериментов 3 и 4, элементы которых взяты из технического решения по прототипу, не дают однозначного ответа по оптимальности подбора пары буфер-эмиттер на основе критерия U_и. С другой стороны, если воспользоваться критерием по предлагаемому техническому решению, то можно указать более оптимальную пару 4-го эксперимента.

Эксперимент 5 характеризует неудачный подбор пары буфер-эмиттер.

Результаты экспериментов 6 и 7 в определенной мере опровергают критерий прототипа и говорят о том, что критерий более адекватен процессам излучения. Примеры 8-10 характеризуют качество буфера йода. Здесь его эффективность возрастает с уменьшением от избыточных до оптимальных величин.

Использование: в источниках оптического излучения. Сущность изобретения: металлогалогенная лампа содержит оптически прозрачную горелку с герметично установленными электродами. В состав наполнения горелки входят стартовый инертный газ при давлении несколько мм рт. ст., иодиды металлов с повышенным рабочим давлением, молекулярной массой и содержанием галогена и/или ртуть в качестве буферного наполнения и иодиды излучающих металлов. Металлы буферного наполнения имеют превышение эффективного потенциала возбуждения атомов не менее, чем на 0,4 и не более чем на 5 эВ над эффективным потенциалом возбуждения атомов излучающих металлов. В качестве металлов буферного наполнения используются металлы высших валентностей IV - VI групп 4 - 6 периодов периодической системы. Новым в лампе является также то, что в качестве буферного наполнения используется непосредственно иод. 1 з. п. ф-лы, 1 табл.

1. МЕТАЛЛОГАЛОГЕННАЯ ЛАМПА, содержащая оптически прозрачную горелку с герметически установленными электродами, в состав наполнения которой входит стартовый инертный газ, йодиды металлов с повышенной молекулярной массой и содержанием галогена в качестве буферного наполнения и йодиды излучающих металлов, отличающаяся тем, что элементы буферного наполнения имеют превышение эффективного потенциала возбуждения атомов не менее чем на 0,4 и не более чем на 5,0 эВ над эффективным потенциалом возбуждения атомов излучающих металлов. 2. Лампа по п.1, отличающаяся тем, что в качестве металла буферного наполнения использованы металлы высших валентностей элементов IV - VI групп и IV - VI периодов Периодической системы.