Способ получения излучения в газовом разряде и устройство для его осуществления Советский патент 1982 года по МПК H01J61/10 

(St) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ В ГАЗОВОМ РАЗРЯДЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобр етение относится к светотехнике, конкретно к разработке газоразрядных источников света. Известен способ получения излучения в газовом разряде, включающий в себя приложение электрического поля меж ду катодом и анодом,электрический пробой газа, заполняющего объем между като дом и анодом,причем с целью увеличения яркости оптического излучения производят в направлении,поперечномотносител но направления приложенного электрического поля, сужение области, занимаемой плазмой, образовавшейся % результате электрического прибоя газа. В месте сужения при определенных условиях возникает скачок потенциала, связанный с образованием двойного электростатического слоя. Электроны, ускорившиеся в двойном слое,позволяют получить большую степень оптически возбужденных атомов и молекул, а следовательно, и большую яркость све чения. Источником оптического излучения является излучение плазмы в месте сжатия 11. Однако в известном способе наблюдается потеря яркости излучения в результате гибели части быстрых электронов „на границах области сужения. Наиболее близким к предлагаемым по технической сущности являются .способ получения оптического иЗлучения в газоразрядном источнике света и устройство для его осуществления. Способ включает в себя создание электрического поля для зажигания разряда между катодом и анодом,создание на части пространства между катодом и анодом дополнительного электрического поля, перпендикулярног го основному, изменяющего скорость электронов, возникающих в результате пробоя газа, причем указанное дополнительное поле является ускоряющим. Способ осуществляют устройством для получения оптического излучения. содержащим наполненную газовую оболочку с окном для вывода излучения, установленные в ней герметично полы , анод и расположенный между ними промежуточный электрод с отвер стием, размеры которого меньше размеров полости катода, источник пита ния, положительный полюс которого соединен с анодом непосредственно, а с промежуточным электродом через выключатель, отрицательный полос со динен с катодом через резистор 21. Недостатком известного спосс а я ляется потеря яркости излучения, а следовательно, и снижение эффективнести (КПД) источника излучения в р зультате гибели части быстрых электронов на границе области сужения. В случае частичного ограничения величины тока с катода на область сужения присутствующее дополнительное электрическое поле, ускоряющее электроны а направлении к границе области сужения, приводит к еще больш потере яркости по срсГёнению со случаем, когда дополнительного поля не Некоторое увеличение яркости происходит вследствие увеличения силы то между катодом и промежуточным электродом по сравнению со случаем, ко да дополнительного поля нет, и связаж, во-первых, с уменьшением КПД источника, во-вторых, с увеличением тепловой нагрузки на катод, обуслов летшм увеличением тока с катода. йедостаткзми устрой ства яеляются ниэю4е эффективность и интенсивност распыление , из которого изготовлен катсзд, а следовательно, сж кение срока слуясбы. Цель изобретения - повьшюние яркости излу14ения при одновременном увеличении КПД и сохранении срока газоразрядного источника сне Для достижения поставленной цели в способе, предусматривающем создание электрического поля между катодом и анодом, создание электрического дополнительного поля, перпендикулярного основному, путем подачи электрического потенциала на промежуточный электрод, для создания дополнительного поля на промежуточный электрод подают потенциал, отрицательный по отношению к катоду. В устройстве для осуществления способа, включающем в.себя оболочку наполненную газом, с окном для вывода излучения, полый катод, анод,промежуточный электрод, расположенный между катодом и анодом и имеющий отверстие, поперечные размеры которого меньше, чем поперечные размеры полости катода, источник питания, один полюс которого соединен с промежуточным электродом через выключатель, отрицательный полюс источника питания соединен с катодом через резистор R, а положительный полюс соединен с анодом, положительный полюс источника питания соединен с анодом через другой резистор Rij, а промежуточный электрод подсоединен через выключатель к отрицательному полюсу источника питания. Соотношение величин сопротивлений резисторов R и Я/, составляетRq /R -IO. На фиг. 1 представлена конструкция газоразрядного источника свеТа; -на фиг. 2 - электрическая схема включения устройства. Лампа (фиг. 1) состоит из к тода 1, окруженного молибденовым цилиндром 2, к которому с одной стороны приварена диафрагма 3 цилиндр 2 и диафрагма 3 выполняют «роль промежуточного электрода. За диафрагмой по оси лампы располо)нен плоский дисковый анод 4 с отверстием в центре, далее находится дисковый коллектор 5, ограничивающий поток заряженных частиц на окно.6 лампы, которое с помощью металлических фланцев 7 и 8 соединено со стеклянным корпусом 9 Для электрической изоляции анодных, коллекторных и катодных выводов служат керамические детали 10. Лампа снабжена октальным цоколем 11. Для получения излучения лампу подключают (фиг. 2) через балластные резисторы R и R(j к источнику 12 питания, а также к источнику 13 питания накала катода. После поджига разряда между промежуточным электродом (ПЭ) и катодом гцэикладывают дополнительное поле в направлении, перпендикулярном по отношению к полю,осуществляющему поджиг разряда, путем подключения ПЭ к минусу источника питания. Подключение осуществляется переключателем 14. Сопротивление (R R Rij) является балластным и служит необходимым элементом питания любых газоразрядных устройств, к которым предъявляются требования устойчивости горения разряда. Сопротивле ние резистора R должно быть много меньше сопротивления резистора R, поскольку при достаточно большой величине R (а следовательно и абсолютной величине отрицательного потенциала ПЭ)возникает переброс раз-, ряда с катода на ПЭ, при этом ток разряда начинает течь по цепи: плюс источника, анод ПЭ, минус источника. В настоящих экспериментах R(900 Он, а R можно менять от О до 100 Ом. Эксперименты, проведенные с несколькими образцами.ламп указанных конструкций показывают,что стабильность яркости излучения при разомкнутом и замкнутом переключателе И и при , меняется. После поджиг разряда в лампе (переключатель И разомкнут) в месте сужения разрядного промежутка возникает скачок потен циала, связанный с образованием двой ного электростатического слоя. Существование двойного слоя приводит к образованию быстрых электрож в с энергиями в несколько десятков эяектрон- ольт(эВ), движущихся внутри капилляра по направлению к аноду/ Этот факт экспериментально установлен путем измерения функции распределения электронов по энергиям зон довым методом. Наличие избытка быстрых электронов по сравнению с максвелловской функцией распределения приводит к увеличению числа возбуждений атомов и молекул прямым электронным ударом А связи с чем яркость излучения возрастает. Однако вследствие амбиполярной диффузии часть наиболее быстрых электронов гибнет на стенках капилляра. Если между пла мой и ограничивающей плазму проводящей поверхностью прикладывать дополнительное поле, тормозящее электро |ны, то большая часть быстрых электIpoHOB, имеющих составляющую скорости в направлении к стенке капилляра, возвращается в плазму. При этом механизм амбиполярной диффузии нарушается (плазма перестраивается), и наблюдаемое увеличение яркости и эффективности газоразрядного источника света (см. ниже) объясняется, IB основном, различием энергетических зависимостей сечений возбуждения и ионизации атомов (молекул) электрон ным ударом. При наложении указанного дополнительного поля потенциал ПЭ становится меньше плавающего потенциала ПЭ (П), в цепи ПЭ протекает ИОННЫЙ ток. При уменьшении ионный ток в цепи ПЭ увеличивается. При некотором предельном знамении величины Uf весь анодный ток начинает течь по цепи ПЭ, т.е. возникает переброс тока с катода на ПЭ. Вблизи точки переброса наблюдается нестабильность горения разряда. Как ранее указывалось, необходимое рабочее значение Uflj достигается выбором соотношения сопротивлений R и Rij. При непосредственном замыкании ПЭ t катодом, когда Я О и, следовательно, выигрыш в яркости составляет 25%. При дальнейшем увеличении по абсолютной величине I -Цгэ яркость продолжает расти и при Я О, IRfj составляет 137 от яркости лампы при Unj .. Под КПД понимается отношение яркости излучения источника света к потребляемой этим источником мощности, которая складывается из мощности, потребляемой в цепи канала катода, и мощности, потребляемой в цепи анодного питания. При соединении 113 с катодом КПД возрастает на й по сравнению с КГЭД лампы при разомкнутом переключателе И.При Я, 0,1R. выигрыш в КПД составляет 6%. Применение предлагаемого способа получения излучения и устройства для его реализации позволяет увеличить яркость газоразрядных источников света, а при данной величине яркости излучения сэкономить электроэнергию, обеспечить работу катера капиллярнодуговой лампы в более легком тепловом режиме, поскольку увеличение яркости происходит при меньшем токе эмиссии с катода, что увеличивает ресурс его работы. Следует отметить, что в ряде разработанных в настоящее время типов спектральных ламп (например ДНУ-65) ресурс работы катода в значительной степени определяет долговечность лампы. Технике-экономическая эффективность предлагаемого способа по сравнению с известным заключается в том, что применение источника света с большим КПД для получения той же яркости излучения позволяет сэкономить в год следующее количество электроэнергии (на примере лампы ЛД-2Д) uW (г -гв)-Рцом- - п . N, где uW - сэкономленное количество электроэнергии в год, квтч; 79 КПД лампы в предлагаемой схеме и при отключенном ПЭ соответственно, ; среднее сремя наработки ланпы за день, ч; число рабочих дней в году; номинальная мощность лампы ЯД-2Д, Вт; N - число ламп, выпускаемых в год; (106-100) 50-7-260100000 5,5-105 кВт.й.. При вычислении приняты следующие численные значения указанных величин t 7 ч, п 2бО рабочих дней, 5Э 8т, N too 000 шт/год,го 00 i 1061. Таким образом, кроме экономии эле ктроэнергии, что является важным в настоящее время, денежная стоимость сэкономленной электроэнергии из рас чета 0,02 руб. за 1 кат- ч составляет П AW 0,02 11 000 руб. в год. Формула изобретения 1. Способ получения излучения в газовом разряде, состоящий в том, что в газе создают электрическое поле для зажигания разряда между катодом к анодом, на части пространства (между катодом и анодом создают допол нительное электрическое поле, перпенйикулярное основному, путем подачи электрического потенциала на промежуточный электрод, установленный мееду катодом и анодом, отличающийся тем, что, с целью 9 повышения яркости при одновременном увеличении КПД и сохранении срока службы газоразрядного источника света, для создания дополнительного поля на промежуточный электрод подают потенциал, отрицательный по отношению к катоду. 2.Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее наполненную рабочим газом оболочку с окном для вывода излучения, герметично установленные внутри оболочки полый катод, анод и расположенный между ними промежуточный электрод с отверстием, поперечные размеры которого меньше поперечных размеров полости катода, и источник питания, один полюс которого соединен с промежуточным электродом через выключатель, положительный полюс источника питания соединен с анодом,а отрицательный полюс соединен с катодом через резистор R, отличающееся тем,что между положительным полюсом источника питания и анодом включен резистор Rj, а промежуточный электрод подключен к отрицательному полюсу источника питания. 3.Устройство по п. 2, отличающееся тем, что соотношение величин сопротивлений резисторов R., и R2 составляет 10. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Зайдель А.Н. и Шрейдер Е.Я. Вакуумная спектроскопия и ее применение. Наука, 1976, с. ЧЗ-ЧЧ. 2.Патент США ff , кл. 313-193, 197.