РАБОЧАЯ СРЕДА ЛАМПЫ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H01J7/06 H01J61/16 

Изобретение относится к светотехнике и может быть использовано при создании и применении ламп тлеющего разряда, излучающих в ультрафиолетовом диапазоне длин волн.

Известны рабочие среды лазеров и ламп на галоидах тяжелых инертных газов [1-3] с буферными легкими инертными газами, причем давление последних почти на порядок превышает суммарное давление галогеноносителя и тяжелого инертного газа.

Недостатком таких сред является необходимость использования в работе дополнительного предыонизатора для формирования объемного самостоятельного разряда при создании инверсии в лазерах [1,2] и невысокий КПД выхода УФ-излучения в случае наполнения тлеющего разряда при получении спонтанной эмиссии [3]
Наиболее близкой по техническому решению, выбранной в качестве прототипа, является рабочая среда для лампы непрерывного тлеющего разряда низкого давления на основе смеси тяжелого инертного газа и хлорсодержащего галогеноносителя (Хе + CI₂ (HCI),Kr + CI₂ (HCI)) [4,5]
Недостатками таких сред являются высокое напряжение зажигания разряда, а также значительная разница между значениями напряжения зажигания и напряжения горения разряда, что усложняет источники питания таких ламп и снижает их надежность.

Задачей изобретения является уменьшение напряжения зажигания разряда.

Задача достигается тем, что в рабочую среду лампы тлеющего разряда низкого давления, содержащую тяжелый инертный газ аргон или криптон, или ксенон и галогеноноситель, содержащий хлор, добавляется гелий или неон, или их смесь, причем давление легкого инертного газа или смесей легких инертных газов выбирается из соотношения 0,1 P₂ ≅ P₁ ≅ 3 P₂, где P₁ давление добавляемых легких инертных газов или их смесей, P₂ давление смеси тяжелого инертного газа с хлорсодержащим галогеноносителем
Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемая рабочая среда лампы отличается от известного введением компонента широкоупотребляемого в лазерных средах, причем в существенно меньших количествах и не употребляемого в лампах. При изучении других известных технических решений не был выявлен положительный эффект от введения признака, отличающий данное изобретение от прототипа и потому он обеспечивает заявляемому техническому решению соответствие критериям "существенные отличия" и "новизна".

Полученный эффект снижения напряжения зажигания разряда обусловлен большим коэффициентом вторичной электронной эмиссии с катода под действием легких инертных газов по сравнению с ионами тяжелых инертных газов. Увеличение выхода электронов из катода обеспечивает условие зажигания самостоятельного разряда при существенно меньшем значении напряжения на электродах лампы. Снижение напряжения горения тлеющего разряда низкого давления обусловлено увеличением дрейфовой скорости электронов в таких смесях, что снижает сопротивление плазмы разряда.

Примеры исследования напряжения зажигания лампы тлеющего разряда пониженного давления с использованием предлагаемой рабочей среды.

Возбуждение рабочей среды осуществлялось в двух типах излучателей: в качестве одного использовалась кварцевая трубка с внутренним диаметром 3.2 см и длиной 75 см с полыми электродами (излучатель 1), а в качестве второго излучателя использовалась коаксиальная конструкция при длине и зазоре межэлектродного промежутка соответственно 40 и 0.8 см с охлаждением внутренней стенки (излучатель 2). Охлаждение внутренней трубки излучателя 2 позволяло осуществлять работу при повышенных (до 130 Вт) средних мощностях излучения. Генератор накачки позволял создавать на рабочих электродах высокое напряжение, регулируемое в диапазоне от 0 до 10 кВ и поддерживать ток до 500 мА. Рабочие смеси готовились в отдельном смесителе, после чего напускались в излучатель исследуемой лампы. Общие давления смесей в экспериментах не превышали 10 Торр.

В излучателе 2 при возбуждении бинарной смеси Kr(85,7%) с CI₂ (14,3%) и общем давлении 4,5 Торр напряжение зажигания разряда составляло 5,4 кВ. Добавление в смесь 20% гелия или неона с одновременным сохранением общего давления и долевого соотношения криптона и молекулярного хлора снижало напряжение зажигания до 4,4 и 4,8 кВ соответственно. В указанном случае, кроме того, происходило увеличение средней мощности излучения, которое, например, при энерговкладе 650 Дж превышало уровень мощности бинарной смеси Kr-CI₂ в 1,1 и 1,4 раза при добавке неона и гелия соответственно.

В излучателе 1 при возбуждении бинарной смеси Хе(75%) с CI₂(15%) и общим давлении 1,5 Торр напряжение зажигания разряда составляло 10 кВ. Добавление в смесь 43% гелия или неона с одновременным сохранением общего давления и долевого соотношения криптона и молекулярного хлора снижало напряжение зажигания до 5,0 и 4,5 кВ соответственно и происходило увеличение мощности излучения, которое, например, при энерговкладе 200 Дж превышало уровень мощности бинарной смеси Kr-CI₂ в 1,5 и 1,4 раза при добавке неона и гелия соответственно. Таким образом, в обоих приведенных случаях добавка легкого инертного газа не только уменьшала разницу между напряжением зажигания и горения, но и способствовала увеличению средней мощности излучения.

Содержание добавки легкого инертного газа ограничивается уменьшением доли излучения рабочей эксиплексной молекулы в общей эмиссии и ухудшением однородности горения объемного разряда, что ухудшает охлаждение рабочих электродов и КПД устройства при трехкратном превышении доли добавки легкого инертного газа совокупной доли оставшихся двух компонент.

Уменьшение напряжения зажигания в средах на галоидах инертных газов может быть использовано при создании простых в эксплуатации и более безопасных источников питания.

Сущность изобретения: лампа тлеющего разряда работает на основе смеси тяжелого инертного газа и хлорсодержащего галогеноносителя. Рабочая смесь для лампы дополнительно содержит легкий инертный газ или смесь легких инертных газов, например, гелий или неон, с определенным соотношением давлений.

Рабочая среда лампы тлеющего разряда низкого давления, содержащая смесь тяжелого инертного газа аргона, криптона или ксенона с хлорсодержащим галогеноносителем, отличающаяся тем, что смесь дополнительно содержит легкий инертный газ или смесь легких инертных газов, например гелий или неон, давление которых удовлетворяет соотношению
0,1 P₂ ≅ P₁ ≅ 3 P₂,
где P₁ давление добавляемых легких инертных газов или их смесей;
P₂ давление смеси тяжелого инертного газа с хлорсодержащим галогеноносителем.