Газоразрядная безэлектродная высокочастотная лампа Советский патент 1992 года по МПК H01J65/04 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к газоразрядным лампам без электродов внутри баллона, излучающим спектры химических элементов и предназначенным для использования в спектральной технике в атомно-абсорбционной аппаратуре, в гониометрах-спектрометрах и т.д.

Известна лампа, содержащая герметичную цилиндрическую колбу из оптически прозрачного материала, наполненную рабочим газом, в которой установлен цилиндрический полый вкладыш из оптически прозрачного материала, снабженный осевым отверстием.

Однако если в качестве наполнителя использован водород, долговечность лампы оказывается малой (15-25 ч).

Это связано с уменьшением количества водорода за счет его диффузии через стенки колбы наружу. В результате снижается интенсивность излучения спектральных линий

водорода, а затем наблюдается погасание лампы без возможности ее повторного зажигания.

Наиболее близкой по технической сущности к изобретению является газоразрядная безэлектродная ВЧ-лампа, содержащая выполненные из оптически прозрачного материала герметичную цилиндрическую колбу, наполненную водородом, и установленный внутри нее с зазором цилиндрический полый вкладыш с осевым отверстием, причем величина указанного зазора состав- ляетО,01-0,08 внутреннего диаметра колбы, а наружная поверхность вкладыша отделена от внутренней поверхности колбы диэлектрическими элементами, суммарная поверхность соприкосновения которых с внутренней поверхностью колбы не превышает 0,006 ее поверхности Диэлектрические элементы представляют собой выступы над поверхностью вкладыша. Как показали испытания, долговечность таких

сл

с

сл

00 VJ

о чэ

водородных ламп увеличивается до 100-120 часов.

Недостатки известной лампы заключается в следующем.

Так как рабочий объем мало отличается от общего внутреннего объема лампы (из-за небольшой величины зазора между вкладышем и колбой, увеличение которого сверх указанного приводит к возникновению ВЧ разряда, в объеме зазора, при этом повыше- ние срока службы не достигается), создать запас водорода, обеспечивающий дальнейшее повышение срока службы, возможно лишь путем увеличения общего объема,лампы. Однако при этом возрастают габариты лампы (в частности, не обеспечивается унификация с выпускаемыми безэлектродными лампами по габаритам), бесполезно возрастают размеры светящегося тела, значительно увеличивается необходимая для горения лампы ВЧ-мощность, т. е. снижается экономичность лампы. Кроме того, при этом ухудшается стабильность излучения из-за флуктуации плазмы, не полностью занимающей объем колбы. При снижении же с целью унификации габаритов с серийными лампами размеров лампы ее долговечность падает из-за малого запаса водорода. Кроме указанного, известная лампа нетехнологична, т. е. приходится тщательно подгонять размеры вкладыша и колбы, иначе или вкладыш не входит в колбу, или щель превышает допустимую и ВЧ разряд возникает вне объема вкладыша, при этом срок службы резко уменьшается, т. е. надежность лампы ока- зывается недостаточной.

Цель изобретения - снижение потребляемой мощности и размеров при одновременном повышении надежности,

цель достигается тем. что в газоразрядной безэлектродной высокочастотной лампе, содержащей выполненную из оптически прозрачного материала герметичную колбу, наполненную водородом и полый вкладыш с отверстием, установлен- ный внутри нее с зазором, в котором распо- ложены диэлектрические элементы, указанные.диэлектрические элементы распределены по всему объему зазора за исключением зоны выхода излучения.

В качестве диэлектрических элементов может быть использована стеклянная1 или кварцевая крошка. Объем зазора может быть также заполнен стекловолокном или кварцевым волокном.

Экспериментально выявлено, что такое выполнение лампы обеспечивает достижение положительного эффекта, являющегося целью изобретения Объем полости вклады- ша, где горит ВЧ-рязряд в водороде, может

быть уменьшен до 1-2 см при общем объеме лампы, на порядок большем, т. е. относительный запас водорода соответственно повышается, что создает предпосылки для повышения срока службы, однако при этом возникновение разряда вне полости вкладыша исключено из-за сильно затрудненных условий возникновения и горения ВЧ-разряда в микрополостях между диэлектрическими элементами. Соответственно, надежность лампы повышается, а потребляемая ВЧ-мощность снижается, при этом габариты лампы могут быть одинаковыми с габаритами спектральных безэлектродных ламп ЛВ2, а ее работа может обеспечиваться встроенным в конструкцию лампы ВЧ-ге- нератором.

Отсутствие необходимости подгонки размеров, так как величина зазора перестает быть критической и может иметь значительный разброс, значительно повышает технологичность, лампы в условиях серийного производства.

Небольшой разрядный объем лампы полностью занят ВЧ-плазмой, что устраняет условия нестабильности ее излучения, а уменьшение размеров светящегося тела повышает КПД лампы.

Повышение долговечности может быть объяснено следукщим.

Известно, ч го срок службы безэлектродных водородных ламп снижается как из-за высокой проникающей способности водорода и его утечки сквозь разогретые при работе лампы стенки колбы, так и из-за гидрогенизации стекла, содержащего связанный кислород. В условиях ВЧ беззлект- родной лампы, когда плазма разряда непосредственно соприкасается с горячими стенками колбы, атомарный водород, образующийся при диссоциации молекул водорода в разряде, имея наименьший атомный радиус среди всех химических элементов, легко проникает в материал стенки и ускоренно диффундирует до выхода наружу. Поэтому плотность водорода в объеме колбы быстро снижается со всеми отрицательными последствиями. В предложенной конструкции атомы водорода, пройдя сквозь стенку вкладыша и оказавшись в зазоре между ним и колбой, рекомбинируют в молекулы, т. е, у стенки колбы присутствует лишь молекулярный водород, проникающая способность которого на порядок меньше, чем атомарного, к тому же температура стенок-колбы значительно ниже, чем температура стенок вкладыша, из-за отдаления от зоны ВЧ-разряда. Поэтому утечка водорода наружу по сравнению с аналогами резко замедляется, молекулярный водород возвращается в разрядный объем через отверстие вкладыша. Что касается гидрогенизации стекла, ее роль в подобной конструкции второстепенна, согласно проведенным исследованиям в спектре излучения лампы- прототипа линии кислорода выражены слабо. В предложенной лампе появляется возможность разместить водопоглощаю- щий элемент, находящийся вне разрядного объема, но связанный с газом-наполнителем (этот элемент может выполнять роль одного из диэлектрических элементов).

На чертеже изображен вариант предложенной лампы.

Газоразрядная безэлектродная ВЧ- лампа содержит наполненную водородом прозрачную колбу 1, в которой установлен с зазором вкладыш 2. имеющий отверстие 3. В отличие от прототипа, форма как колбы 1, так и вкладыша 2 не является критической, т. е отпадают жесткие требования к величине зазора между их стенками. В данном варианте вкладыш 2 цилиндрический, но может быть и сферическим. При помощи отростка 4, играющего только крепежную роль, осуществляется фиксация вкладыша 2 в колбе 1, но может быть использовано и другое известное решение. Диэлектрические элементы 5 заполняют все пространство между вкладышем 2 и колбой 1, кроме зоны 6, через которую выводится излучение лампы, здесь зазор уменьшен так, чтобы диэлектрические элементы 5 не могли проникнуть в него, в результате выходящий поток излучения не ослабляется из-за рассеивания. Выходным может быть и боковой участок колбы 1, в этом случае зазор между вкладышем 2 и колбой 1 уменьшается, соответственно, у боковой стенки, В отличие от прототипа расположение у боковой стенки. В отличие от прототипа располжение тверстия 3 не является критическим, оно может быть не осевым, т. к. из-за отдаления вкладыша от колбы 1 возможность достижения атомарным водородом до его рекомбинации стенок колбы 1 практически отсутствует. Также сведена к минимуму возможность проникновения атомарного водорода к стенкам колбы 1 по толще нескольких диэлектрических элементов 5 через зоны их соприкосновения, т. к. существует гораздо большая вероятность того, что атомы водорода при таком движении выйдут обратно в объем лампы и ре- комбинируют в молекулы. Поэтому выгодно увеличить величину зазора между вкладышем 2 и колбой 1, но при этом зона разряда отдаляется от внешнего ВЧ-индуктора, поэтому конкретная величина зазора выбирается с учетом конструкции узла возбуждения,

рабочей частоты и т. п. В конкретных образцах колба 1 выполнена из кварцевого стекла ее наружный диаметр 16 мм, толщина стенок 1 мм вкладыш 2 также выполнен из кварцевого стекла, его наружный диаметр 10 мм, толщина стенок не более 1 мм.

Выполнение указанных деталей из стекла С-52-1, как в случае прототипа, позволяет практически исключить признаки

0 гидрогенизации стекла, однако технологичность такой лампы ниже из-за необходимости тщательного отжига и возможного растрескивания стекла. Диаметр отверстия 3 может быть небольшим. 0,5-1 мм, что ис5 ключает возможность проникновения диэлектрических элементов 5 в объеме вкладыша 2, но не отражается на нормальной работе лампы из-за высокой текучести водорода. Лампы заполнена водородом под

0 давлением 70-80 Па, при работе лампы вследствие образующейся разности температур, плотность водорода в объеме вкладыша 2 несколько снижается и является оптимальной для горения ВЧ-разряда и из5 лучения атомных линий водорода. Материал диэлектрических элементов 5 может быть разным; он должен обеспечивать малые потери в ВЧ-поле и практически не взаимодействовать с водородом. В конкретных

0 образцах элементы 5 представляют собой -частицы кварцевого стекла с поперечными размерами в пределах 0,2-0.5 величины зазора между вкладышем 2 и колбой 1 за исключением зазора в области выхода излу5 чения, где зазор меньше размеров элементов 5. Для увеличения объема водорода элементы 5 целесообразно выполнить в виде сферических гранул, однако и при другой их форме запас водорода по сравнению с

0 прототипом значительно увеличивается. Еще больше увеличивается запас водорода, если в качестве диэлектрических элементов использовано кварцевое или стекловолокно, но в этом случае обезгаживание лампы

5 при ее откачке усложняется. Выполнение нескольких гранул из силикагеля или другого водопоглощающего материала полностью устраняет влияние гидрогенизации и улучшает характеристики лампы.

0 Устройство работает следующим образом.

При подаче на внешний ВЧ-контур напряжения от ВЧ-генератора в полости вкладыша 2 зажигается ВЧ-разряд в водороде,

5 при этом излучаются спектральные линии водорода, прежде всего с длиной вопны 434.0. 486,1 и 656,2 нм. Так как в зазоре, в том числе и в зоне выхода излучения лампы, водород содержится в молекулярном виде, при прохождении через зазор атомного излучения самопЬглощения линий не происходит.

Предложенная безэлектродная водородная лампа по сравнению с известной более надежна и потребляет меньшую ВЧ- мощность, при этом ее габариты меньше, другие элементы унифицированы с серийными лампами. Это повышает характеристики аппаратуры, где используется лампа. Повышение ее технологичности облегчает ее производство в серийных условиях,

Формула изобретения 1. Газоразрядная безэлектродная высокочастотная лампа, содержащая выполнен0

5

ную из оптически прозрачного материала герметичную колбу, наполненную водородом и полый вкладыш с отверстием, установленный внутри нее с зазором, в котором расположены диэлектрические элементы, отличающаяся тем, что, с целью снижения ее потребляемой мощности и размеров при одновременном повышении надежности, указанные диэлектрические элементы распределены по всему объему зазора, за исключением зоны выхода излучения.

2. Лампа по п. 1,отличающаяся тем, что в качестве дизлектрических элемен- тов использованы гранулы из стекла.

Использование: лампы, излучающие спектры химических элементов, предназначены для использования в спектральной технике, в атомно-абсорбционной аппаратуре, в гониометрах-спектрофотометрах, Сущность изобретения: лампа имеет герметичную колбу, наполненную водородом. Внутри колбы установлен полый вклздыш с отверстием. По всему объему зазора между вкладышем и стенкой колбы (за исключением зоны выхода излучения) распределены диэлектрические элементы, например, из гранул стекла. При подаче на внешний ВЧ- контур напряжения от ВЧ-генератора в полости вкладыша зажигается ВЧ-разряд в водороде, при этом излучаются спектральные линии водорода. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.