ГАЗОРАЗРЯДНАЯ УЛЬТРАФИОЛЕТОВАЯ ЛАМПА Российский патент 1997 года по МПК H01J61/10 H01J61/92 

Изобретение относится к газоразрядным лампам, излучающим преимущественно в коротковолновой вакуумной УФ-области спектра. Высокая энергия квантов излучения ламп (до 11 эВ), малая потребляемая мощность позволяют разрабатывать на базе этих ламп портативные приборы, работающие на эффекте фотоионизации, фотолюминесценции и оптическом поглощении: это газовые анализаторы, оптические гигрометры, приборы для астрофизики и т.д.

Известна маломощная УФ-лампа [1] которая содержит колбу с окном прозрачным в вакуумном УФ, наполненную каким либо инертным газом и/или водородом, содержащая анод и катод в виде впаянных в корпус колбы металлических шайб, и стеклянный капилляр для прохождения разряда, встроенный в перегородку, разделяющую анодную и катодную камеры. Недостатком лампы является то, что при малом давлении рабочего газа (доли мм рт. ст.), при котором достигается максимальный вклад энергии в резонансные линии, газ в лампе быстро исчезает из-за "жесчения" его ионов стеклом колбы, что ведет к малому сроку службы лампы. Поэтому такие лампы для увеличения срока службы наполняются газом до нескольких мм рт. ст. что однозначно приводит к нежелательному повышению напряжения зажигания на лампе до 1500 В. Кроме того, для ослабления эффекта "жесчения" диаметр колбы такой лампы с наиболее активным газом водородом обычно увеличивают до 25 мм, что ограничивает ее применение в современной портативной аппаратуре.

Известна также конструкция УФ-водородной лампы [2] которая состоит из колбы с окном, прозрачным в вакуумном УФ, катода с полостью для концентрации отрицательного катодного свечения, изолятора, в который заключен катод, и анода, выполненного в виде остеклованного штырька и установленного параллельно катоду, и своим свободным концом, доходящим до выходного отверстия полого катода.

В отличие от классических ламп с полым катодом, излучающих атомарные линии испаряющегося металла катода, в этой лампе для авторов интерес представляло свечение самого газа наполнителя-водорода, давление которого в лампе составляло 3 мм рт.ст. Несмотря на такое давление, напряжение зажигания и падение напряжения на лампе такой конструкции не превышает 600 и 400 В соответственно. Однако к серьезным недостаткам рассматриваемой лампы со штырьковым анодом следует отнести нестабильность излучения из-за анизотропии электрического поля в промежутке анод-катод, "жесчения" газа вследствие интенсивного налетообразования на колбе вблизи разряда, что также не позволяет приблизить окно колбы к разряду и уменьшить ее диаметр, то-есть уменьшить габариты лампы.

Наиболее близкой к предлагаемому решению является конструкция лампы с кольцевым анодом и полым катодом с глухим отверстием [3] В этой лампе кольцевой анод для устранения диафрагмирования света выполнен в виде ступенчатого полого цилиндра с основанием во внутренней полости, имеющим сквозное осевое отверстие, в которое вставлен центрирующий изолятор, установленный на основании полого катода с глухим отверстием. Форма анода создает в пространстве между анодом и катодом собирающую электронную линзу, повышающую плотность электронов и число излучательных переходов над катодной зоной. При размерах: диаметре 36 мм и длине 140 мм анод в лампе удален от окна на расстояние 70 мм. При таких габаритах лампа рассчитана в среднем на 20 мА разрядного тока и 6 Вт потребляемой мощности при сроке службы до 500 ч.

Недостатком такой конструкции является открытый анод и замкнутые объемы внутри полости катода и изолятора. Такая конструкция непригодна для малогабаритных ламп с малым содержанием излучающего рабочего газа, т.к. при сокращении расстояния между анодом и окном до нескольких мм и уменьшения габаритов лампы наблюдения резкое потемнение окна от распыления полости катода и быстрое исчезновение рабочего газа.

Целью данного изобретения является миниатюризация газоразрядной УФ-лампы при увеличении стабильности и интенсивности ее излучения.

Указанная цель достигается тем, что в газоразрядной УФ-лампе, содержащей колбу, наполненную газом, излучающим преимущественно в вакуумном ультрафиолете, окно прозрачное в этой области, анод и сквозной полый катод в изоляторе, создающие один разрядный ствол, анод, катод и изолятор в соответствии с изобретением выполнены в виде сквозных цилиндров, имеющих общую ось, анод на одном конце, обращенном к окну, имеет крышку со смотровым отверстием и другим концом плотно насажан на конец изолятора, внутри которого заподлицо с ним установлен катод, а длины анода и изолятора по крайней мере в два раза превосходят диаметр и длину катода соответственно.

Другим отличием предлагаемой лампы является то, что сквозной цилиндрический изолятор оканчивается капилляром, заходящим в полость анода, свободный конец которого по крайней мере в два раза превосходит диаметр капилляра, а полый катод установлен внутри изолятора перед капилляром.

Еще одним отличием является установка в лампе нескольких разрядных стволов, выполненных в соответствии с предлагаемым изобретением, параллельных и/или расположенных под определенным углом к оси колбы, с общими электрически нейтральным экранным цилиндром и фиксатором, охватывающими все разрядные стволы, причем крышка и донышко экранного цилиндра и фиксатор имеют отверстия по числу разрядных стволов, а аноды имеют форму открытых цилиндров и скреплены с фиксатором.

Дополнительным отличием является также то, что общий экранный цилиндр имеет отдельный вывод.

Дополнительным отличием является также то, что общий экранный цилиндр соединен с анодами всех разрядных стволов.

На фиг.1 представлена газоразрядная УФ-лампа, в которой анод, полый катод и изолятор выполнены в виде сквозных цилиндров; на фиг.2 газоразрядная УФ-лампа, в которой цилиндрический изолятор оканчивается капилляром, заходящим в полость анода; на фиг.3 газоразрядная УФ-лампа, содержащая несколько разрядных стволов с общим электрическим нейтральным экранным цилиндром и фиксатором, охватывающими все разрядные стволы, причем аноды скреплены с фиксатором; на фиг. 4 многоствольная газоразрядная УФ-лампа, у которой общий экранный цилиндр имеет отдельный вывод; на фиг.5 многоствольная газоразрядная УФ-лампа с общим экранным цилиндром, соединенным с анодами всех разрядных стволов, а сами стволы установлены под углом к оси колбы.

Газоразрядная лампа, показанная на фиг.1, состоит из стеклянной колбы 11 с припаянным окном 2 из материала, прозрачного в вакуумной УФ-области, сквозных катода 3, изолятор 4 и анода 5, выполненных в виде цилиндров. Катод 3, изолятор 4 и анод 5 расположены на одной оси и образуют разрядный ствол лампы. Анод 5 на конце, обращенном к окну 2, имеет крышку 6 со смотровым отверстием 7, а другим своим концом анод 5 плотно насажан на конец изолятора 4, внутри которого заподлицо с ним установлен катод 3. Длины анода 5 и изолятора 4 по крайней мере в два раза превосходят диаметр и длину полого катода 3 соответственно. Эти размеры были установлены эмпирически и определены из условия отсутствия пробоя между катодом 3 и анодом 5 в момент зажигания через открытый конец изолятора, а также отсутствия налетов на окне 2 при максимальном приближении (до 3-5 мм) анода 5 к окну лампы. Изолятор 4 имеет утолщение 8 для его крепления с помощью металлического хомутика 9 к остеклованному анодному токовводу 10. Катод крепится к остеклованному катодному токовводу 11. Колба 1 наполнена газом, излучающим в вакуумной УФ-области спектра.

Лампа работает следующим образом.

При подаче на электроды 3 и 5 лампы постоянного напряжения между ними возникает тлеющий разряд с концентрацией отрицательного катодного свечения в полости катода 3. Это свечение при малых разрядном токе (в несколько мА) и потребляемой мощности принадлежит возбужденному газу-наполнителю.

Согласно физике плазмы, при протекании разрядного тока поток электронов устремляется к аноду, а поток ионов к катоду. Поэтому любой газоразрядной лампе, работающей на постоянном токе, устанавливается поток, переносящий массу ионизованного газа внутрь катодной камеры. Сквозная конструкция электродов 3 и 5 и изолятора 4 обеспечивает стабильную направленность этого потока от окна 2 в сторону открытого конца изолятора 4 и способствует уменьшению оседания частиц. Распыляющихся с катода 3 на окне и на стенках изолятора. Закрытый анод 5 в сочетании с сквозной цилиндрической конструкцией разрядного ствола создают условия минимального "жесчения" газа во время работы лампы.

Высокая степень экранировки стенок колбы лампы предлагаемой конструкции от ионов газа в сочетании с продувкой ионного тока потоком газа через сквозной изолятор являются факторами, позволившими значительно уменьшить ее габариты за счет уменьшения диаметра колбы и расстояния от конца анода до окна до нескольких мм. Предлагаемая конструкция обеспечивает работу малогабаритной лампы до нескольких тысяч часов даже при давлении рабочего газа на уровне сотых долей мм рт.ст. при котором достигается минимальное самопоглощение резонансного излучения газов, излучающих в вакуумной УФ-области.

Газоразрядная лампа, представленная на фиг.2 дополнительно к конструкции на фиг.1 имеет изолятор 4, оканчивающийся капилляром 12, размещенным внутри цилиндрического анода 5 таким образом, что его отверстие находится напротив смотрового отверстия 7 в анодной крышке 6, а расстояние между концом капилляра 12 и крышкой анода 6 по крайней мере в два раза превосходит внутренний диаметр капилляра 12. Предложенное расстояние подобрано эмпирически и оптимально с точки зрения предохранения окна 2 от налетов из зоны разряда в капилляре 12. Полый сквозной катод 3 установлен внутри цилиндрического сквозного изолятора 4 непосредственно перед капилляром 12.

Устройство работает следующим образом.

При подаче на токовводы 10 и 11 лампы постоянного напряжения между катодом 3 и анодом 5 возникает тлеющий разряд с концентрацией отрицательного катодного свечения в полости катода 3 и положительного плазменного столба в стеклянном капилляре 12. Благодаря дополнительному свечению плазмы в стеклянном капилляре 12 интенсивность излучения лампы выше, по сравнению представленной на фиг. 1. От длины и диаметра капилляра 12 зависят интенсивность излучения, напряжение зажигания и мощность лампы. Чем больше длина и меньше диаметр капилляра 12, тем выше яркость, напряжение зажигания и мощность, потребляемой лампой.

Одновременно имеет место повышение стабильности излучения лампы. Так в такой лампе отсутствует пульсация излучения, так как в предлагаемой конструкции не возникает условий для установления тока газа, встречного по отношению к ионному току. В лампах же с глухой конструкцией катода и изолятора такие условия создаются (особенно в импульсном режиме) из-за небольшого перепада давлений, возникающего по мере протекания разрядного тока между анодной и катодной камерами, разделенными капилляром, и накоплением газа в катодной камере.

На фиг. 3 показана конструкция многоствольной газоразрядной лампы, у которой в колбу 1 заключено несколько разрядных стволов, содержащих все элементы одного разрядного ствола лампы на фиг.1.

Дополнительным отличием конструкции является наличие одного общего электрически нейтрального экранного цилиндра 13, охватывающего все стволы, и фиксатора 14, скрепленного через остеклованные изоляторы 17 со всеми анодами 5, выполненными в виде открытых цилиндров. Фиксатор 14 присоединен в одному общему токовводу 10. Крышка 15 и донышко 16 экранного цилиндра 13, а также фиксатор 14 имеют отверстия по числу разрядных стволов в лампе. Экранный цилиндр 13 вместе с крышкой 15 и донышком 16 защищает стенки колбы и окно от соприкосновения с плазмой. Кроме того с помощью отверстий в фиксаторе 14 и донышке 16, а также утолщения 8 фиксируется положение изоляторов 4 и катодов 3 всех стволов.

Устройство работает следующим образом.

При подаче на токовводы 10 и 11 каждого ствола постоянного напряжения между катодами 3 анодами 5 возникают разряды в каждом стволе. Излучение от каждого ствола через смотровые отверстия 18 в крышке 15 экранного цилиндра 13 попадает на окно 2 лампы. Таким образом за пределами окна 2 лампы возникает четыре независимых световых пятна, как если бы светили четыре отдельных лампы.

На фиг. 4 представлена многоствольная газоразрядная лампа, у которой, в отличие от конструкции, показанной на фиг. 3 экранный цилиндр 13 имеет собственный вывод 19.

В этом случае на экранный цилиндр может быть подан относительно анода отрицательный потенциал при разнице в напряжении между ними в 10-20 В. Возникающее при этом слабое тормозящее поле в пространстве анод-экранный цилиндр позволяет повысить степень защиты окна от попадания на него быстрых электронов из плазмы, накапливания на его внутренней поверхности отрицательного заряда, способствующего оседанию на ней положительных ионов металла, распыляемого стенками полого катода. Такая конструкция особенно эффективна для ламп с повышенной токовой нагрузкой, например, при эксплуатации в импульсном режиме.

На фиг. 5 изображена конструкция многоствольной лампы, у которой в отличие от конструкций, показанных на фиг. 3 и 4, аноды 5 всех разрядных стволов прикреплены к донышку 16 экранного цилиндра 13, который приварен через металлические стяжки 20 к фиксатору 14. Разрядные стволы накоплены под определенным одинаковым углом к оси колбы лампы за счет одинакового смещения центров отверстий в донышке 16 и фиксаторе 14 относительно центра отверстий 18 в крышке цилиндра 15.

Устройство работает следующим образом.

При подаче постоянного напряжения на все катодные токовводы 11 и анодные токовводы 10 в каждом стволе вспыхивает по самостоятельному разряду, излучение от которых скрещивается на некотором расстоянии от окна в области пересечения осей разрядных стволов, создавая в этой зоне пятно с яркостью, равной суммарной яркости всех стволов.

Конструкции многоствольных ламп, дополнительно к представленным на фиг. 3, 4 и 5, могут быть выполнены с цилиндрическими изоляторами, оканчивающимися капиллярами, заходящими в полости анодов, в соответствии с п.2 формулы изобретения. При этом будет соответственно повышаться яркость излучения каждого ствола, напряжение зажигания и мощность, потребляемая лампой.

Общие преимущества предлагаемых многоствольных газоразрядных ламп состоят в следующем.

Благодаря независимым катодам и анодам, можно включать или выключать часть стволов, или включать их последовательно во времени в зависимости от требований аппаратуры. Объединение нескольких разрядных стволов в одной колбе, то-есть фактическая замена одной лампой нескольких ламп с дорогостоящими окнами, прозрачными в вакуумной УФ-области, вол много раз уменьшает не только обьем, занимаемый лампами в аппаратуре, но и их стоимость. В таблице приведены основные параметры одноствольных ламп, выполненных по заявляемой конструкции в сравнении с лампой 0701-02 Калифорния, применяемой в аналитических приборах с фотоионизационным детектированием, и многоствольных ламп, в сравнении с отечественной спектральной водородной лампой ВМФ-25, способной создать на заданном расстоянии от окна (6-7 см) равное с предлагаемой многоствольной лампой пятно излучения, используемое в приборах, работающих на эффекте фотолюминесценции.

Сравнительные данные таблицы показывают, что по всем основным параметрам лампы, выполненные по предложенному техническому решению, превосходят лампы, традиционно применяемые в экологических и спектральных приборах. Так одноствольные лампы, выполненные по пп.1, 2, при той же энергии излучения в 3 раза меньше по напряжению зажигания и в 12 раз по габаритам, по сравнению с лампой 0701-02 Калифорния. Многоствольные лампы, выполненные по п.3, 4, 5, при сравнимой или в 2 раза большей яркости, по сравнению со спектральной лампой ВМФ-25, потребляют в зависимости от числа стволов на порядок меньше электроэнергии, работают при меньших токах от 50 до 25 раз и меньше по габаритам от 6 до 3 раз. Таким образом достигнутая миниатюрность и экономичность ламп позволит создать на их базе новый класс портативной, фактически карманной аппаратуры.

Использование: в аппаратуре, использующей эффект фотоионизации и фотолюминесценции. Сущность изобретения: газоразрядная УФ-лампа содержит колбу с окном, прозрачным в вакуумной УФ-области, наполненную газом, излучающим в этом спектральном диапазоне. В колбе размещены по оси лампы анод и катод в изоляторе, выполненные в виде сквозных цилиндров и образующие один разрядный ствол, Анод-цилиндр плотно одет на цилиндр-изолятор, внутри которого установлен катод. Изолятор может заканчиваться капилляром, заходящим в полость анода. Излучение разрядного ствола складывается из отрицательного свечения в полости катода и излучение плазмы в капилляре изолятора /при его наличии/. Дополнительно газоразрядная УФ лампа содержит несколько стволов, установленных параллельно и/или под углом к оси колбы. Для дополнительной экранировки колбы от взаимодействия с плазмой и установки стволов в нужном положении имеются общие экранный цилиндр и фиксатор с установочными отверстиями. Катоды каждого ствола имеют собственные выводы, а аноды соединены с фиксатором, к которому крепится анодный токоввод. Экранный цилиндр электрически нейтрален, или имеет свой вывод, или соединен с фиксатором и анодами всех стволов. Предлагаемое техническое решение позволяет провести миниатюризацию ламп при увеличении стабильности и интенсивности излучения и снижении их себестоимости. 4 з.п.ф-лы, 5 ил. 1 табл.

1. Газоразрядная ультрафиолетовая лампа, содержащая колбу, наполненную газом, излучающим преимущественно в вакуумном ультрафиолете, окно, прозрачное в этой области, анод и сквозной полый катод в изоляторе, создающие один разрядный ствол, отличающаяся тем, что анод, катод и изолятор выполнены в виде сквозных цилиндров, имеющих общую ось, анод на одном конце, обращенном к окну, имеет крышку со смотровым отверстием, другим концом плотно насажен на конец изолятора, внутри которого заподлицо с ним установлен катод, а длины анода и изолятора по крайней мере в два раза превосходят диаметр и длину катода соответственно. 2. Лампа по п. 1, отличающаяся тем, что сквозной цилиндрический изолятор оканчивается заходящим в полость анода капилляром, длина которого по крайней мере в два раза превышает его диаметр, а полый катод установлен внутри изолятора перед капилляром. 3. Лампа по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительными разрядными стволами, все разрядные стволы расположены параллельно и/или под определенным углом к оси колбы и окружены общими электрически нейтральным экранным цилиндром и фиксатором, причем крышка и донышко экранного цилиндра и фиксатор имеют отверстия по числу разрядных стволов, а аноды имеют форму открытых цилиндров и скреплены с фиксатором. 4. Лампа по пп. 1 3, отличающаяся тем, что общий экранный цилиндр имеет отдельный вывод. 5. Лампа по пп. 1 3, отличающаяся тем, что общий экранный цилиндр соединен с анодами всех разрядных стволов.