Короткодуговая газоразрядная лампа высокого и сверхвысокого давления Российский патент 2023 года по МПК H01J61/73 

Область техники

Изобретение относится к электротехнике, а именно к газоразрядным лампам высокого и сверхвысокого давления. Изобретение охватывает короткодуговые ксеноновые лампы большой мощности, ртутные короткодуговые лампы высокого давления, а также все другие короткодуговые лампы с допированным легкоионизуемой добавкой катодом и анодом с диаметром, большим диаметра токового канала на поверхности анода.

Уровень техники

В настоящее время существует большое число конструкций электродов короткодуговых газоразрядных ламп, которые позволяют решить целый ряд технических проблем от уменьшения термической нагрузки на электрод до получения определенных характеристик электродов путем варьирования их состава и конструкции [1-3].

Короткодуговые газоразрядные лампы высокого давления, как правило, имеют катоды, допированные легкоионизуемыми добавками. Чаще всего в качестве такой добавки используют торий. Легкоионизируемая добавка, как правило, уменьшает работу выхода электронов из катода и, испаряясь в объем разряда, может влиять на характеристики плазмы. В работах [4, 5] показано, что присутствие атомов тория уменьшает температуру плазмы вблизи катода без уменьшения интенсивности излучения в видимой области спектра за счет того, что излучение является рекомбинационно-тормозным с участием атомов и ионов тория. Фиг. 1 показывает продольное распределение характеристик плазмы короткодуговой ксеноновой лампы мощностью 250 Вт [4]. Приведены продольные распределения концентрации заряженных частиц и температуры плазмы, полученные из спектральных измерений, а также интенсивность излучения плазмы вблизи 550 нм. Схематично показана также геометрия разряда. Видно, что присутствие тория вблизи катода, действительно, уменьшает температуру плазмы Т и обеспечивает превышение концентрации ионов тория над концентрацией ионов ксенона в этой части разряда. При этом интенсивность излучения в видимой области имеет максимум вблизи катода и не коррелирует с температурой плазмы, что невозможно объяснить в случае однородного по составу разряда (присутствия в плазме только атомов ксенона).

Результаты работ [4, 5] показывают существенное влияние материала катода на свойства разрядной плазмы и, таким образом, на излучательные характеристики ксеноновых ламп высокого давления. Этот вывод можно обобщить на оба электрода: очевидно, что свойства анода, в частности его форма, будут также сильно влиять на характеристики плазмы дугового разряда.

Известен патент RU 152355 U1, 27.05.2015 [6], в котором описывается короткодуговая ксеноновая лампа для устройства оптоэлектронного противодействия инфракрасным головкам самонаведения управляемых ракет с прямой трубчатой колбой из бесцветного лейкосапфира, на противоположных концах которой соосно с ней герметично установлены электродные узлы - анодный и катодный, содержащие неразъемно соединенные держатель соответствующего электрода, примыкающий на части боковой поверхности к внутренней поверхности колбы, и герметизирующий элемент, спай которого с колбой выполнен охватывающим, отличающаяся тем, что в держателе катода, вне его оси, выполнено продольное сквозное круглое в поперечном сечении отверстие, в котором вакуумно-плотно установлен электрод поджига, отделенный от стенок отверстия изоляционным элементом в виде прямой трубки из твердого с высокой термостойкостью диэлектрического материала. При этом анод короткодуговой ксеноновой лампы имеет кривизну, отличную от нулевой. Недостатком предложенной конструкции лампы является отсутствие возможности управления характеристиками газоразрядной лампы.

Известен патент US 6614186 В2 [7], описывающий конструкцию анода короткодуговой газоразрядной лампы, в частности, ксеноновой лампы большой мощности, в которой конструкция анода позволяет увеличить стабильность работы за счет соответствующей организации турбулентных газовых потоков, вызванных неоднородным нагревом газа. В данном патенте приведена конструкция анода, позволяющая обратить турбулентные газовые потоки в разрядной колбе и, таким образом, исключить турбулентные возмущения в дуговом разряде. Как показано на Фиг. 2, проблема решается с помощью выступа на поверхности анода, обращенной к катоду, которая, как заявляют авторы изобретения, препятствует возникновению потоков газа, создающих разрядную турбулентную нестабильность. Недостатком предложенной конструкции анода является отсутствие возможности управления характеристиками газоразрядной лампы.

Известен патент DE 102010024240 А1 [8], в котором описывается конструкция анода, имеющего соосную с анодом выемку в виде диска диаметром D и глубиной Н. Конструкция анода представлена на Фиг. 3. За счет увеличения эффективной поверхности анода, рассеивающей энергетическую нагрузку, уменьшается температура центральной части поверхности анода и распыление материала анода, что снижает скорость почернения внутренней поверхности колбы разрядной лампы. Это позволяет также увеличить срок службы лампы при требуемом уровне освещенности и стандартной яркости газоразрядной лампы. Недостатком предложенной конструкции анода является отсутствие возможности управления характеристиками газоразрядной лампы.

Известен патент JP 2011065756 А [9], наиболее близкий к заявляемому изобретению, в котором описана конструкция анода, имеющего сферическую выемку диаметром меньшим диаметра плоской части поверхности анода, обращенной к катоду. Конструкция анода приведена на Фиг. 4. Увеличение за счет выемки эффективной площади рабочей поверхности анода, которая принимает на себя основную энергетическую нагрузку, уменьшает распыление материала анода и, таким образом, уменьшает почернение внутренней поверхности разрядной колбы, что позволяет увеличить срок службы лампы при требуемом уровне освещенности и стандартной яркости газоразрядной лампы. Недостатком известного устройства, принятого в качестве прототипа, является невозможность эффективного управления характеристиками газоразрядной плазмы.

Сущность изобретения

Заявленная конструкция анода дуговой лампы свободна от указанных недостатков.

Техническим результатом заявляемой конструкции анода является возможность влияния на свойства плазмы дугового разряда и, как следствие, получение эффективной генерации излучения в видимой, ультрафиолетовой и/или инфракрасной области спектра.

Указанный технический результат достигается тем, что в короткодуговой газоразрядной лампе высокого и сверхвысокого давления, включающей в себя анод и катод, которые расположены соосно напротив друг друга на заданном расстоянии, причем катод содержит легкоионизуемую добавку, а анод имеет диаметр поверхности, обращенной к катоду, больший или равный диаметру токового канала на поверхности анода, и имеет форму поверхности, обращенной к катоду, со средней кривизной, отличной от нуля, поверхность анода, обращенная к катоду, имеет эллипсоидальную форму, которая для преимущественного излучения в видимой области спектра выполнена в виде эллипсоидальной поверхности с координатой τ эллипсоидальных координат, лежащей в диапазоне - 0.8<τ<0 при координате катода τ₀<0, а для преимущественного излучения в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра выполнена в виде эллипсоидальной поверхности с координатой τ эллипсоидальных координат, лежащей в диапазоне 0<τ<0.8 при координате катода τ₀<0.

Под кривизной (матем.) здесь понимается величина, характеризующая отклонение кривой (поверхности) от прямой (плоскости). Отклонение дуги MN кривой L от касательной MP в точке М можно охарактеризовать с помощью т.н. средней кривизны k_cp этой дуги, равной отношению величины ее угла между касательными в точках М и N к длине Δs дуги MN [10]:

k_cp=α/Δs.

Выбранное расположение катода в отрицательной полуплоскости эллипсоидальных координат не принципиально, поскольку данная система координат симметрична относительно плоскости τ=0.

Заявленная конструкция анода и ее влияние на характеристики плазмы поясняются следующим.

Характеристики плазмы короткодугового разряда зависят, прежде всего, от пространственного распределения напряженности электрического поля в разрядном промежутке. Электрическое поле нагревает электроны, которые ионизуют и возбуждают атомы газа, а также передают в столкновениях свою энергию атомам и ионам газа, что для условий дугового разряда высокого давления приводит к возникновению локально термодинамически равновесной плазмы [1, 4, 5]. Распределение напряженности электрического поля, очевидно, зависит от формы поверхностей катода и анода. Поверхности электродов являются эквипотенциальными с потенциалами, определяемыми напряжением, необходимым для существования газового разряда. Поэтому в случае, если форма поверхности электродов такова, что эффективное расстояние между электродами меньше (анод имеет вогнутую форму), напряженность поля уменьшается и его радиальное распределение становится более пологим, что приведет к увеличению радиуса токового канала. Следовательно, температура плазмы также должна уменьшиться. В случае выпуклой формы анода, эффект будет противоположным. Фиг. 5 качественно иллюстрирует описанный эффект. Переход от вогнутой к выпуклой форме увеличивает длину силовых линий электрического поля, что приводит к уменьшению напряженности электрического поля на периферии разряда, что уменьшает дрейфовую скорость электронов, поэтому для сохранения величины протекающего тока требуется увеличить напряженность поля на оси разряда. Это приведет к росту температуры плазмы в приосевой области.

Короткодуговые лампы высокого давления имеют, как правило, электроды, допированные легкоионизуемыми элементами. Чаще всего этой добавкой является торий (добавка составляет 2-5% в составе вольфрамового катода [1, 2]), атомы которого имеют энергию ионизации примерно вдвое меньшую (6.1 эВ [11]), чем ксенон (12.1 эВ), при этом торий имеет меньшую работу выхода электронов (3.35-3.47 эВ) по сравнению с вольфрамом (4.54 эВ), а оксид тория ThO₂, которым допируют вольфрамовый катод ксеноновых ламп, еще меньшую - 2.54-2.67 эВ [12]. Таким образом, допирование катода обеспечивает снижение работы выхода материала катода (увеличивает эмиссию электронов из катода) и уменьшает катодное падение. В дополнение к вышеупомянутому следует отметить, что ожидаемым эффектом от такого допирования является возможная эмиссия атомов легкоионизуемой добавки (тория) в разрядный промежуток: на поверхности катода образуются «лужицы» из допированного элемента (тория), атомы которых испаряются в разрядный объем. Данный эффект впервые был обнаружен и описан в работах [4, 5]. Было показано определяющее влияние атомов легкоионизуемой добавки на электрокинетические и оптические свойства прикатодной плазмы. Присутствие атомов тория в прикатодной области снижало температуру плазмы, что приводило к превалированию ионов тория над ионами ксенона в данной области и генерации рекомбинационно-тормозного излучения преимущественно с участием ионов и атомов тория. В этом отношении можно отметить, что атомы легкоионизуемой добавки (тория) являются определяющими в генерации излучения прикатодного пятна короткодугового ксенонового разряда. Последнее, очевидно, приводит также к уменьшению интенсивности оптического излучения, связанного с атомами ксенона, - инфракрасного излучения в спектральной области 800-1100 нм и ультрафиолетового рекомбинационно-тормозного излучения, которое для чисто ксеноновой плазмы имеет более высокую температуру и, следовательно, большую интенсивность в ультрафиолетовом диапазоне.

Как уже отмечалось выше, форма анода может влиять на пространственные распределения разрядных характеристик. В работе [13] была построена модель короткодугового ксенонового разряда высокого (сверхвысокого) давления. Для описания пространственных распределений характеристик плазмы использовались эллипсоидальные координаты, которые являются, с нашей точки зрения, наиболее оптимальными для описания геометрической структуры короткодугового разряда. Данная модель позволила получить как характеристики на оси разряда, так и пространственные распределения характеристик плазмы. С помощью данной модели были рассчитаны характеристики плазмы короткодугового разряда в ксеноне при различной форме поверхности анода. В результате была получена сильная зависимость плазменных характеристик от формы поверхности анода, обращенной к катоду.

Фиг. 6 иллюстрирует геометрию короткодугового разряда в эллипсоидальных координатах (вытянутый эллипсоид вращения [14]). Катод расположен слева и выделен жирной линией. Для рассмотренного в [13] случая координата катода в эллипсоидальных координатах равна τ₀=-0.924, координата анода τ_L=0 (плоский анод). Он также выделен жирной линией. Пунктирной линией показан канал тока, соответствующий токовому пятну на катоде диаметром 0.1 см. Форма поверхности анода легко задается выбором координаты анода τ_L. В соответствии с заявленным изобретением предлагается выбирать координату анода в диапазоне -0.8<τ_L<0, 0<τ_L<0.8 (координата τ_L=0 соответствует плоскому аноду).

Модель разряда позволяет рассчитать электрокинетические характеристики плазмы, в частности, напряженность электрического поля, температуру плазмы, концентрации и состав ионов, концентрацию атомов тория, эмитированных катодом в разрядный промежуток, радиальные распределения указанных характеристик. На следующей Фиг. 7 представлены характеристики плазмы вдоль оси разряда: температуры плазмы Т, напряженности электрического поля Е, концентраций атомов и ионов тория N_Th и , ионов ксенона и плотности электронов n_e [13]. Расчет проведен для условий, близких к условиям работы ксеноновой лампы сверхвысокого давления мощность 250 Вт: давление ксенона в холодной лампе 20 атм., разрядный ток 14 А, расстояние между катодом и анодом 0.3 см, внешний диаметр лампы ~2.5 см.

Как видно из Фиг. 7, присутствие атомов тория вблизи катода заметно уменьшает температуру плазмы. Это приводит к кардинальному изменению состава ионов вблизи катода: концентрация ионов тория превышает концентрацию ионов ксенона, которая в этой области близка к нулю. Излучение плазмы короткодугового ксенонового разряда представляет собой рекомбинационно-тормозное излучение и излучение спектральных линий ксенона, основной вклад в которое дают инфракрасные линии в области 800-1100 нм. Снижение температуры плазмы и практически нулевая концентрация ионов ксенона вблизи катода (это означает, что и возбуждение атомов ксенона мало в этой области) приводит к тому, что в спектре излучения превалирует рекомбинационно-тормозное излучение, создаваемое атомами и ионами тория, имеющее сплошной спектр с эффективной температурой (6500-7200) К (см. Фиг. 1 и Фиг. 7). Область вблизи катода создает основной поток излучения разряда, поэтому очевидно, что и излучение ксеноновой лампы будет представлять собой в основном сплошной спектр с указанной выше температурой. Данное излучение близко к спектру излучения солнца и поэтому используется в освещении при необходимости обеспечить наилучшую цветопередачу. Интенсивность ИК спектральных линий атомов ксенона и УФ-излучения будет относительно невелика.

Однако, существуют технические задачи, в которых требуется высокая интенсивность УФ-излучения (процессы травления, литография, обеззараживание поверхностей и т.п.) или сильное ИК-излучение (высокотемпературное воздействие на вещество, ИК прожекторы и др.). Построенная модель [13] позволяет путем выбора соответствующей формы поверхности анода изменять спектр излучения плазмы и, таким образом, расширять области применения и эффективность использования короткодугового разряда высокого давления. Существует и необходимость получения оптического излучения с температурой ниже 6000-6500 К. Такое излучение может использоваться в специальных целях: использование «близких» к планковским излучателей с температурой до 4000 К и ниже, создание комфортного «теплого» излучения, оформление арт-объектов и др.

Заявленный результат подтверждается теоретическим анализом, проведенным в Санкт-Петербургском государственном университете.

На Фиг. 8 представлена температура плазмы при различной форме поверхности анода. Форма анода выбирается соответствующей координате τ_L в эллипсоидальных координатах: -0.4, -0.2, 0, +0.2, +0.4 (см. Фиг. 6 с изображением координат в эллипсоидальных координатах). Расстояние между катодом и анодом во всех случаях выбирается равным 0.3 см. Из рисунка видно, что форма поверхности анода кардинальным образом влияет на температуру плазмы в разрядном промежутке. В случае вогнутой поверхности анода (τ_L=-0.4, -0.2) температура плазмы в основном объеме разряда составляет (6000-7500) К, в то время как для выпуклого анода (τ_L=+0.2, +0.4) температура достигает (8500-9000) К. Случай τ_L=0 описывает плоский анод.

Следующие Фиг. 9а (τ_L=0), Фиг. 96 (τ_L=+0.4) и Фиг. 9в (τ_L=-0.4) показывают распределение концентраций атомов тория N_Th, ионов тория и ионов ксенона при различной форме анода - от вогнутой (τ_L=-0.4) до выпуклой (τ_L=+0.4). В случае плоского анода (Фиг. 9а) концентрация ионов ксенона у катода практически равна нулю и растет далее с приближением к аноду. Концентрация ионов тория вблизи катода существенно превосходит таковую для ионов ксенона, что приводит к заметному спаду температуры плазмы в этой области (см. Фиг. 8).

При выпуклом аноде (Фиг. 9б) и температуре плазмы до 9000 К заметно растет концентрация ионов ксенона в максимуме (примерно в два раза по сравнению с плоским анодом), и сам максимум приближается к катоду. Распределения атомов и ионов тория прижимаются к катоду, что приводит к существенному уменьшению интенсивности связанного с атомами и ионами тория оптического излучения, испускаемого из катодного пятна. Для вогнутого анода (Фиг. 9в) картина обратная: температура плазмы практически во всем разрядном промежутке не превышает 7400 К, и концентрация ионов тория почти во всем промежутке превышает концентрацию ионов ксенона.

Результаты, приведенные на Фиг. 8 и 9, подтверждают сильное влияние формы анода на характеристики плазмы и на испускаемое плазмой оптическое излучение.

Ксеноновые источники света высокого и сверхвысокого давления имеют торированные катоды. Торий является радиоактивным элементом. Поэтому в последнее время ведутся работы по замещению тория другими элементами, в частности, редкоземельными, которые могут обеспечить эффект, сходный с эффектом от использования тория. В частности, исследуются соединения La₂0₃-W, ZrO₂-W, СеО₂-W, Y₂0₃-W [15], Ce-W, La-W, Y-W [16]. Эти добавки имеют температуру плавления ниже температуры плавления для вольфрама и энергии возбуждения и ионизации эмитированных в плазму атомов заметно меньшие таковых для атомов ксенона, поэтому заявляемое изобретение будет применимо и к короткодуговым разрядам с электродами, допированными другими элементами.

Технико-экономическая эффективность заявленного изобретения состоит в повышении эффективности генерации оптического излучения в выбранной области спектра. Достижение такого результата позволяет использовать заявленное изобретение для создания новых и эффективных экологически безопасных источников оптического излучения (источников света), расширяет возможности использования заявленного изобретения в различных технологических процессах, а также найдет широкое применение в промышленном и бытовом освещении.

Список использованных источников информации

1. Г.Н. Рохлин. Разрядные источники света - М., Энергоатомиздат, 1991, 720 с.

2. Д. Уэймаус. Газоразрядные лампы - М., Энергия, 1977, 344 с.

3. Лампы газоразрядные. Каталог 09.5.01-80. М.: Информмэлектро. 1980; Каталог 09.50.07-75. М: Информэлектро. 1975

4. N.A. Timofeev, V.S. Sukhomlinov, G. Zissis, I. Yu. Mukharaeva, & Dupuis P. IEEE Trans. on Plasma Sci. 47, No 7, (2019) PP. 3266-3270

5. N. Timofeev, V. Sukhomlinov, G. Zissis, I. Mukharaeva, D. Mikhailov, P. Dupuis. Technical Physics, 64, No 10, (2019) PP. 1473-1479; DOI: 10.1134/S1063784219100207

6. Патент RU 152355 U1, МПК H01J 61/02 (2006.01)

7. Патент US 6614186 B2, МПК H01J-061/073*, |H01J-061/12,| H01J-061/86

8. Патент DE 102010024240 А1, МПК HOU-061/073/2*, |H01J-061/82

9. Патент JP 2011065756 А, МПК H01J-061/073* (прототип)

10. А.В. Погорелов. Дифференциальная геометрия (6-е издание). М.: Наука, 1974

11. D. Stull, in American Institute of Physics Handbook, Third Edition, D.E. Gray, Ed., McGraw Hill, New York, 1972

12. Landolt-Borstein's Zahlenwerte und Funktionen aus Phsik, Chemie, Astrunumie, Geophysik, Thechnik, 6-е издание., Берлин, т. I, ч. 4, 1955; т. II, ч. 6, разд. 1, 1959

13. N.A. Timofeev et al. "Modeling of high pressure short-arc xenon discharge with a thoriated cathode," IEEE Trans, on Plasma Sci., 2021, August, Doi: 10.1109/TPS.2021.3093816

14. Г. Корн и Т. Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Москва: Наука, 1973, 832 с.

15. J. Haidar and A.J.D. Farmer, "Surface temperature measurements for tungsten-based cathodes of high-current free-burning arcs," J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 28, pp. 2089-2094, 1995

16. Zhongzhu Gu, Xiaoli Xi, Jiancan Yang, and Jinjin Xu, "Properties of RE-W cathode and its application in electrostatic precipitation for high temperature gas clean-up," Fuel, vol. 95, pp. 648-654, May 2012. Available: Jan. 06, 2012, https://doi.org/10.1016/j.fuel.2011.12051.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к газоразрядным лампам высокого и сверхвысокого давления. Технический результат - повышение эффективности генерации оптического излучения в выбранной области спектра. В короткодуговой газоразрядной лампе высокого и сверхвысокого давления поверхность анода, обращенная к катоду, выполнена в виде эллипсоидальной поверхности с координатой τ эллипсоидальных координат, лежащей в диапазоне - 0.8<τ<0 при координате катода τ₀<0, а для преимущественного излучения в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра выполнена в виде эллипсоидальной поверхности с координатой τ эллипсоидальных координат, лежащей в диапазоне 0<τ<0.8 при координате катода τ₀<0. 9 ил.

Короткодуговая газоразрядная лампа высокого и сверхвысокого давления, включающая в себя анод и катод, которые расположены соосно напротив друг друга на заданном расстоянии, причем катод содержит легкоионизуемую добавку, а анод имеет диаметр поверхности, обращенной к катоду, больший или равный диаметру токового канала на поверхности анода, и имеет форму поверхности, обращенной к катоду, со средней кривизной, отличной от нуля, отличающаяся тем, что поверхность анода, обращенная к катоду, имеет эллипсоидальную форму, которая для преимущественного излучения в видимой области спектра выполнена в виде эллипсоидальной поверхности с координатой τ эллипсоидальных координат, лежащей в диапазоне - 0.8<τ<0 при координате катода τ₀<0, а для преимущественного излучения в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра выполнена в виде эллипсоидальной поверхности с координатой τ эллипсоидальных координат, лежащей в диапазоне 0<τ<0.8 при координате катода τ₀<0.