Физико-технологические основы разработки термоэмиссионных электродов для натриевых ламп высокого давления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат технических наук Тай, Александр Викторович

• Тай, Александр Викторович
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тай, Александр Викторович

Содержание

Стр.

Введение

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА СОЗДАНИЯ ТЕРМОЭМИССИОННЫХ ЭЛЕКТРОДОВ ДЛЯ ДУГОВЫХ РАЗРЯДНЫХ ЛАМП

1.1. Общие сведения о физических процессах взаимодействия эмиссионной поверхности электрода и разрядной плазмы

1.2. Функционирование электрода в условиях тлеющего разряда

1.3. Функционирование электрода в условиях дугового разряда

1.4. Эволюция свойств термоэлектрода в тлеющем разряде

1.5. Эволюция свойств термоэлектрода в условиях установившегося дугового разряда

1.6. Электроды, серийно применяемые в дуговых разрядных лампах высокого давления

1.7. Перспективные электроды для осветительных натриевых ламп высокого давления

Выводы по главе 1 и постановка задачи

ГЛАВА 2. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЭМИССИОННО-АКТИВНОГО ВЕЩЕСТВА, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ СПЕЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОДОВ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ИХ ПАРАМЕТРОВ

2.1. Способы получения экспериментальных образцов

2.1.1. Получение эмиссионно-активного вещества

2.1.2. Приготовление шихты

2.1.3. Изготовление кернов

2.1.4. Термическая обработка спрессованных заготовок электродов

2.2. Техника эксперимента

2.2.1. Метод исследования эмиссионно-активного вещества

2.2.2. Способ определения качества эмиссионно-активного состава по вольтамперным характеристикам переходного процесса в

Стр.

газовом разряде

2.2.3. Результаты исследования работы спеченных и спиральных

электродов в дуговом разряде

Выводы по главе 2

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ПРИМЕНЕНИЯ СПЕЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОДОВ, ФОРМИРОВАНИЕ ИХ ОСНОВНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РАЗРЯДНЫМ НАТРИЕВЫМ ЛАМПАМ

3.1. Расчет плотности потоков эмиссионного вещества, осаждающегося на поверхности электродов и стенке разрядной колбы

3.2. Экспериментальное определение применимости эмиссионно-активных материалов для использования в разрядных натриевых лампах

3.3. Исследование температурных режимов спеченных электродов в условиях воздействия разрядной плазмы

Выводы по главе 3

ГЛАВА 4. ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СПЕЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОДОВ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К УСЛОВИЯМ ИХ РАБОТЫ В НАТРИЕВЫХ ЛАМПАХ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

4.1. Исследование фазового состава эмиссионно-активного вещества

на этапах его изготовления

4.2. Исследование фазового состава эмиссионно-активного вещества

на этапах изготовления спеченных электродов

4.3. Металлографический анализ образцов спеченных электродов

Выводы по главе 4

5. Заключение

Общие выводы по работе

Литература

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физико-технологические основы разработки термоэмиссионных электродов для натриевых ламп высокого давления»

ВВЕДЕНИЕ

Источники света (ИС), устройства дающие свет - вакуумные лампы накаливания, галогенные лампы накаливания, люминесцентные лампы, обычные и компактные, и, наконец, дуговые газоразрядные, как и современные - светодиодные, являются творением физиков разных поколений.

В настоящее время натриевые лампы высокого давления (ДНаТ) признаны наиболее эффективными источниками искусственного освещения. Благодаря их высокой светоотдаче, достигающей 150лм/Вт, и спектру мощностей от 50Вт до 3кВт, они применяются для освещения складских помещений, автомагистралей и карьеров, парников и теплиц.

В мировой практике доля ламп дуговых натриевых (типа ДНаТ) превышает половину всех источников наружного освещения и составляет почти 100% тепличного искусственного освещения. В связи с этим остается актуальным вопрос совершенствования этого типа ламп по пути увеличения их долговечности и снижения отрицательного воздействия на экологию: увеличение срока службы уменьшает количество утилизируемых ламп и, соответственно, снижает выбросы в окружающую среду продуктов их переработки.

Лампа типа ДНаТ содержит поликоровую горелку (горелка - герметично запаянная колба, внутри которой горит разряд) с герметично установленными в каждом из двух ее концов электродами. Кроме указанных элементов лампа включает в себя колбу из тугоплавкого стекла, ножку с токовводами, посредством которых осуществляется подача напряжения на разрядный промежуток, а также цоколь, на центральный контакт и боковую поверхность которого подается питающее напряжение.

Световые характеристики ламп типа ДНаТ, в том числе и наиболее важные - световой поток и световая отдача - зависят от физических свойств наполнения и давления паров испарившихся металлов, устанавливающегося в горелке. При работе лампы в насыщенных парах даже незначительные изменения температуры горелки вызывают резкое изменение их давления, а вместе с тем и всех характеристик разряда.

Для уменьшения зависимости характеристик от теплового режима работы горелки в лампах ДНаТ, она помещается в наружную колбу, внутренний объем которой откачан до высокого вакуума. При таких условиях зависимость основных параметров ламп типа от окружающей температуры становится менее существенной, что позволяет без ограничений использовать лампы при температуре окружающей среды от -40°С до +40°С.

Однако выполнение этого условия требует жесткого соблюдения условия: температура заэлектродной зоны горелки (наиболее холодное место горелки, в котором конденсируется натриево-ртутное наполнение) должна выдерживаться в строго заданных пределах.

В разрядных осветительных лампах высокого давления применяют самокалящиеся электроды. Вследствие высокой температуры и достаточно большой плотности тока, составляющей около 104 А/см2, электроды работают в тяжелом тепловом режиме. Плотность мощности, подводимая к электродам в месте «привязки» дуги, достигает 3-104Вт/см2. Рассеяние подобных плотностей мощности при помощи излучения с поверхности, на которую горит дуга, привело бы к неминуемому перегреву и крайне быстрому испарению эмиссионного материала.

Сохранение в таких условиях на рабочем участке поверхности электродов температуры, необходимой для их нормальной работы, возможно только путем отвода этого потока тепла за счет теплопроводности к другим участкам электрода, где это тепло может быть рассеяно с приемлемыми градиентами температуры.

Геометрические размеры электродов определяются из условия необходимого компромисса между сочетанием оптимальных температур торца вольфрамового керна Твк и спирали ТСп> обеспечивающих наилучшие условия для конкретного типа применяемого эмиссионного вещества.

В общем случае все спиральные электроды состоят из вольфрамового стержня (керна) с надетой двухслойной вольфрамовой спиралью. Промежутки между витками спирали, а иногда и пространство между керном и

спиралью, заполняется эмиссионным (эмиссионно-активным) веществом, в качестве которого используются оксиды, цирконаты, вольфраматы щелочноземельных, а также оксиды редкоземельных металлов.

Спиральные электроды, применяемые в течение нескольких десятилетий, имеют несколько существенных недостатков.

Так, количество активного вещества ограничивается возможностью механической адгезии к поверхности вольфрамовой спирали и на практике находится на уровне порядка 2,5 мг. Вследствие различных коэффициентов термического расширения вольфрама и активатора происходит разрушение и осыпание последнего в результате жестких термоциклов при включении и выключении лампы.

Двухслойная спираль, надетая на керн, имеет очень малую и, в общем случае, существенно изменяющуюся площадь контакта как с керном, так и между собственными соседними витками. Поэтому наблюдается существенный градиент температуры по длине электрода, достигающий нескольких сотен градусов и изменяющийся от образца к образцу.

Неоптимальное распределение температуры по электроду на стадии дугового разряда приводит к ускоренному испарению активатора, снижая долговечность лампы, а также световой поток.

Анализ процессов деградации параметров дуговых ламп позволяет утверждать, что самым слабым звеном в их конструкции является электрод. Повсеместно применяемый в настоящее время спиральный электрод практически не претерпел изменений с начала массового производства этих ламп. Малая масса эмиссионного материала, ненадежное закрепление ее на электроде, особенно заметное в режиме термоциклов, приводит к отказам в зажигании из-за осыпания эмиссионного материала, а высокий уровень распыления, особенно в стадии разгорания лампы, приводит к снижению надежности поджига, а также к значительному снижению светового потока вследствие запыления стенок горелки.

Следует особо подчеркнуть сложность решения поставленной задачи,

обусловленной, с одной стороны, многочисленностью разнородных физических процессов взаимодействия плазмы тлеющего и дугового разрядов с композиционной поверхностью электрода, малым объемом газового наполнения в отпаянной горелке лампы, а, с другой стороны, практическим отсутствием комплексных теоретических исследований в данной области, обусловившим отсутствие инженерных методов расчета и контроля параметров электродов.

Поскольку основные характеристики электродов формируются в процессе их изготовления и на начальной стадии тренировки ламп, определение закономерностей, связывающих основные параметры электродов с параметрами технологического процесса их изготовления, учитывающих реальные конструкции и режимы работы в лампах, важен поиск способов их получения.

Одним из способов увеличения долговечности лампы при снижении ее себестоимости является применение спеченных электродов, обладающих набором характеристик, отсутствующих у серийно применяемых в мировой практике спиральных электродов с нанесенным на их поверхность микрослоем эмиссионно-активного вещества. Среди потенциальных преимуществ спеченного электрода - увеличенное в 5-10 раз количество эмиссионно-активного вещества, его объемное расположение, повышенная эмиссионная способность и более низкая рабочая температура.

Учитывая тот практический факт, что параметры натриевых ламп в решающей степени определяется качеством примененных электродов, постоянно актуальной задачей остается совершенствование их конструкций и состава эмиссионного материала.

Природа эмиссионно-активного вещества влияет на такие важные свойства электродов, как скорость испарения бария, эмиссионная способность и устойчивость к отравлению остаточными газами. Активное вещество должно обладать следующими основными свойствами:

- способностью выделять необходимое количество активатора (бария)

при взаимодействии с восстановителем;

- незначительным выделением газов при обработке электрода;

- достаточной устойчивостью на воздухе;

- заданной температурой плавления.

В настоящее время при изготовлении электродов для дуговых источников излучения в качестве эмиссионно-активного материала широко применяются материалы, изготовленные на основе метацирконатов бария BaZrOз, вольфраматов бария-иттрия ВаОУгОз-АЮз и вольфраматов бария-кальция типа Ва2Са\\Юб.

Метацирконаты применяются преимущественно в дуговых разрядных источниках излучения, долговечность которых находится на уровне 5 — 7 тысяч часов.

Смеси вольфраматов бария-кальция и оксида иттрия, а также вольфра-мата бария-кальция применяются в изделиях таких фирм как «Оэгат», «РЬНурз», выпускающих продукцию более высокого качества, способную работать в течение 20 — 24 тысяч часов.

Другой класс эмиссионно-активных материалов, который применяется, в основном, при изготовлении импрегнированных (пропитанных) катодов представляется алюминатами бария-кальция типа (3-х)ВаОхСаОА12Оз. При определенных значениях «х» состав обладает высокими эмиссионными свойствами, достаточно высокой устойчивостью к внешним воздействиям. Следует отметить, что в литературе нет никаких сведений о его применении в качестве эмиссионно-активного материала для электродов дуговых источников освещения.

Научно-технические основы разработки электродов для газоразрядных ламп были заложены в работах Г.Н. Рохлина, В.И. Кристи, А.П. Коржавого, В.И. Морокова, Е.С. Савранской, В.В. Прасицкого, Р.И. Хабибулина, М.Р. Фишера и др.

Физико-технологические основы разработки термоэлектронных композиционных электродов на основе новых материалов для натриевых ламп вы-

сокого давления пока не сформулированы. Устранение этого пробела и является основной целью настоящей работы.

Актуальность работы. Сложность достижения поставленной цели обусловлена, с одной стороны, многообразием разнородных физических процессов взаимодействия плазмы тлеющего и дугового разрядов с композиционной поверхностью электрода, малым объемом газового наполнения в отпаянной горелке лампы, а, с другой - недостаточным количеством комплексных теоретических и экспериментальных исследований в данной области, обусловившим отсутствие инженерных методов расчета и контроля параметров электродов.

Поэтому данная диссертационная работа, направленная на проведение ряда исследований в областях физики как конденсированного состояния, так и радиационного взаимодействия плазмы с поверхностью твердого тела, результаты которых будут положены в основу разработки новых технологических способов изготовления электродов с оптимальным составом эмиссион-но-активного вещества, размещенного в матрице из вольфрамового порошка, закрепленной на керне, является весьма важной и актуальной..

Для достижения поставленной цели предложены и решены следующие задачи. Исходя из анализа литературных источников, требований разработчиков разрядных ламп, существующего мирового уровня выпускаемой продукции и требований его повышения, установлено, что электроды должны обеспечивать следующие параметры:

- ресурс работы - не менее 28 тысяч часов;

- спад светового потока к концу срока службы - не более 20%;

- увеличение ресурса работы в режиме частых включений в 2-3 раза.

Поскольку основные характеристики спеченных электродов формируются в процессе их изготовления и на начальной стадии тренировки ламп, определение закономерностей, связывающих основные параметры электродов с характеристиками условий их изготовления, учитывающих реальные конструкции и режимы работы в лампах явилось первой задачей работы.

Вторая задача - разработка конкретных конструкций электродов, учитывающих условия их эксплуатации при радиационном воздействии плазмы дугового разряда разных мощностей. И третья задача - испытание спеченных электродов в составе натриевых ламп высокого давления с последующим анализом полученных результатов.

Основные научные цели работы.

1. Разработка эмиссионно-активного материала спеченных электродов для натриевых разрядных ламп высокого давления с рациональными физическими параметрами, обеспечивающего ресурс работы ламп на уровне, превышающем 25 тысяч часов.

При этом должны быть определены и разработаны методики исследований и аналитическое оборудование;

2. Исследование:

- зависимостей физических параметров эмиссионно-активного вещества электродов от способов его изготовления;

- зависимостей физических параметров эмиссионно-активного вещества электродов от способов его введения в вольфрамовую матрицу;

- распределения эмиссионно-активного вещества (ЭАВ) на поверхности и в объеме матрицы;

- взаимосвязи светотехнических параметров натриевых ламп высокого давления параметров примененных в них спеченных электродов

Научная новизна полученных результатов. В ходе выполнения диссертационной работы были впервые получены следующие результаты:

- разработан метод определения применимости различных эмиссион-но-активных материалов для электродов осветительных ламп;

- разработан оптимальный состав ЭАВ для электродов натриевых ламп высокого давления на основе соединений вольфрама, кальция, бария и алюминия;

- определены параметры процессов изготовления ЭАВ, обеспечивающие его заданный фазовый состав;

- определены параметры процессов изготовления термоэмиссионных

электродов (термоэлектродов), обеспечивающие сохранение заданного фазового состава ЭАВ;

- установлено, что массовая доля ЭАВ (ВаА1204:Ва2Са\\Юб) в составе материала спеченной части электрода, обеспечивающая заданные эмиссионные свойства, должна находиться в пределах 12-15%;

- определено, что оптимальные тепловые режимы электрода обеспечиваются при уровне теплопроводности материала X = 84-105 Вт-м^К"1;

- исследованы и испытаны натриевые разрядные лампы высокого давления, изготовленные с применением разработанных электродов в составе осветительных систем и устройств.

Научная и практическая значимость работы состоит в том, что созданы новые оригинальные средства исследования и испытания спеченных термоэмиссионных электродов на основе соединений вольфрама, кальция, бария и алюминия для дуговых разрядных натриевых ламп высокого давления и разработана технология их изготовления.

Применение разработанных электродов позволило:

- увеличить среднюю продолжительность горения ламп с 18000 часов до 30000 часов:

- повысить средний световой поток в процессе срока службы на 1820%;

- уменьшить расход дорогостоящих вольфрамовых материалов;

Результаты работы внедрены в производство параметрического ряда

газоразрядных ламп высокого давления типа ДНаТ, выпускаемых рядом отечественных и зарубежных фирм.

Теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы могут быть использованы в Национальном исследовательском Мордовском государственном университете имени Н.Р. Огарева, г. Саранск, в ОАО «Лисма», г. Саранск, на Дятьковском заводе газоразрядных приборов, г. Дятьково Брянской области.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Результаты исследований зависимости эмиссионных параметров от

условий изготовления ЭАВ.

2. Результаты исследований зависимости параметров ЭАВ от условий изготовления электрода на основе соединений

3. Оптимальный состав ЭАВ для электродов натриевых ламп высокого давления.

4. Конкретные конструкции электродов для разрядных ламп высокого давления с заданными параметрами.

5. Результаты испытаний натриевых ламп высокого давления с разработанными спеченными термоэлектродами.

Апробация работы н публикации. Основные результаты настоящей работы докладывались и обсуждались на Межнациональных конференциях и семинарах, в том числе: XX Международном совещания "Радиационная физика твердого тела" (Севастополь, 5 июля - 10 июля 2010 г.), ХЬ Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 25 мая 2010 г.), третьей Всероссийской Школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых по направлению "Наноинженерия" (Москва, 2010 г.), Всероссийской научно-технической конференции "Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе" (Москва, 2011 г.), Региональной научно-технической конференции "Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе" (Москва, 2013 г.).

Основные результаты, полученные в работе, опубликованы в 9 печатных трудах, в том числе 3 в журнале из Перечня, рекомендованного ВАК Минобрнауки РФ.

Структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения, списка литературы и двух приложений. Её общий объем составляет 101 страниц, включая 35 рисунков, 1 таблицу и список литературы из 109 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Тай, Александр Викторович

Общие выводы работе

1. Анализ литературных данных и практики промышленного производства натриевых разрядных осветительных лампах высокого давления показал, что спиральные электроды являются ограничивающим фактором их дальнейшего развития.

2. Главные недостатки спиральных электродов - нестабильное тепловое поле с большими температурными градиентами и недостаточное количество эмиссионно-активного вещества.

3. Для выбора конструкции электродов применяются только эмпирические методы.

4. Радикальный способ устранения перечисленных недостатков - разработка спеченных электродов, обладающих более равномерным тепловым полем и возможностью увеличения запаса эмиссионно-активного вещества до любых требуемых количеств.

5. Разработаны алгоритмы и способы получения исходных составляющих спеченного электрода. Определены условия получения оптимальных параметров эмиссионно-активного вещества, вольфрамовой матрицы и кернов.

6. Для исследования фазового состава эмиссионно-активного вещества выбран рентгенофазовый метод, реализуемый посредством рентгеновского дифрактометра «ДРОН».

7. Разработан метода определения качества эмиссионно-активного вещества по вольтамперным характеристикам переходного процесса в разряде.

8. Выбран метод, разработана и изготовлена установка для измерения теплопроводности материала.

9. Расчетным методом найдено:

- на этапе зажигания лампы плотность потока испаренных атомов на стенку колбы в 50 раз, а на торец керна электрода в 100 раз больше, чем в установившемся режиме;

- в установившемся режиме работы более 90% испаряющихся атомов возвращаются на поверхность спеченной массы.

10. Экспериментально определен оптимальный эмиссионно-активный состав спеченного электрода - композиция вида Ва2Са'№Об + ВаАЮд.

11. Методом рентгенофазового анализа исследован фазовый состав активно-эмиссионного вещества на последовательных стадиях изготовления спеченного электрода и определены способы получения его оптимальных характеристик.

12. Исследована зависимость теплопроводности спеченной части электрода в зависимости от количества эмиссионно-активного вещества в спеченной массе.

13. Металлографические исследования поверхности и объема спеченной части электрода позволили установить следующее:

- при температуре спекания, обеспечивающей требуемые механические свойства электродов, изготовленных с применением крупнозернистого вольфрама, на рабочей поверхности спеченной массы отсутствует эмиссион-но-активное вещество;

- для одновременного выполнения требований по механическим и эмиссионным свойствам необходимо применение вольфрамового порошка с размером зерна на уровне 1 мкм и температуры спекания 1800 К.

14. Теплопроводность спеченной части электрода, изменяющаяся от 65 до 95 Вт/мК в зависимости от процентного содержания активно-эмиссионного вещества в вольфрамовой матрице, обеспечивает снижение температуры наиболее нагретой части электрода примерно на 300 К по сравнению со спиральным электродом, одновременно снижая время перехода в дуговой разряд в 3-5 раз.

15. Изложенное в п.п. 5-14 и составляет физико-технологические основы разработки термоэмиссионных электродов для натриевых ламп высокого давления. Применение разработанных электродов позволило повысить световой поток натриевой лампы высокого давления на 7-8% и долговечность -до 32000 часов.

91

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Заданная мощность натриевой лампы, работающей от сети напряжением ис, определяется произведением напряжения на лампе ил и тока через нее 1Л [47]. Часть потребляемой мощности теряется на электродах, причем измерения показывают, что в серийно выпускаемых лампах потери на электродах находятся на уровне 6% во всем диапазоне используемых мощностей. Эти потери остаются постоянными при изменениях ил в некоторых разумных пределах.

В соответствии со сказанным, для уменьшения относительной доли электродных потерь следует увеличивать ил. Однако существуют два ограничения. На рис. 5.1 приведены осциллограммы напряжения и тока в лампе ДНаТ в установившемся режиме. На рисунке видны пики перезажигания и„3, фиксирующие минимальный уровень напряжения на лампе, обеспечивающий существование дугового разряда. В современных лампах отношение ипз к среднему напряжению на лампе ил.ср равно 1,2. В то же время для стабильного горения лампы без пауз тока должно выполняться соотношение [47]: где с учетом допустимых колебаний напряжения сети ис =0,9 ис.ном.=198 В. Подстановка численных данных дает ил=140В.

Кроме того, напряжение на лампе со спиральными электродами в течение эксплуатации постоянно растет таким образом, что через время т (тысяч часов)

Последнее выражение справедливо для серийно применяемых электродов, которые обеспечивают статистически достоверный рост напряжения на лампе 1В/1000 часов. Таким образом, чтобы лампа была работоспособной в конце срока службы в выражение (1) вместо ил должно быть подставлено ил/ис=1,41(2,45+ и2ш/и2л.ср.)"2,

0) илт^ил(1+0,001т)

2) илт. Подстановка в приведенное выражение численных данных, в том числе времени работы лампы в 20 тысяч часов, дает значение начального напряжения на лампе порядка 120 В.

НолгооШ MODE

TIME А

AUT0 J Source [CHÏ ]

Slop«

Positive

3 PC BASED DIGITAL STORAGE OSCILLOSCOPE 2100 авививд б

Рис. 5.1. Осциллограммы токов и напряжений с пиками перезажигания в натриевой лампе, изготовленной с применением: а - спиральных электродов, б - спеченных электродов

Vertical

F СНА Г ADO р СН.8

Г ос Г sue г DC

Р АС Г X-Y (• АС

Г GN0 Г CND

Исходя из анализа приведенных выражений, существует два пути увеличения долговечности ламп [100-109]: снижение скорости роста напряжения на лампе и уменьшение пиков перезажигания. Оба фактора позволяют уменьшить величину Un/Uc, увеличив тем самым коэффициент полезного действия лампы, т.е. увеличить световой поток.

На рис. 5.1а приведена осциллограмма токов и напряжений в натриевой лампе, изготовленной с применением стандартных спиральных электродов. Напряжения фиксировались через делитель 1/40. Как следует из масштаба, амплитуда пиков перезажигания равна 170 В, что в действующих значениях равно 120 В.

На рис. 5.16 приведена осциллограмма токов и напряжений в натриевой лампе, изготовленной с применением спеченных электродов, содержащих активное вещество состава Ba2CaW06 + ВаАЮ,}. В этом случае амплитуда напряжения перезажигания составила 150 В, или в действующих значениях- 108 В.

Это значит, что Uro в случае применения спеченного электрода меньше, чем Un3 лампы со спиральным электродом на 20 В, т.е. минимальное напряжение на лампе может быть увеличено до 120 В, что обеспечит повышение светового потока на 7-8%. В абсолютных величинах для лампы ДНаТ мощностью 600 Вт световой поток вырастет с 86 клм до 93 клм.

С другой стороны, снижение действующего напряжения пиков перезажигания на 20 В уменьшает соотношение ипз/ил.ср с 1,2 до 1,13. В этом случае Un, определенное по выражению (1), будет иметь значение 145 В вместо 140 В. Это значит, что лампа будет сохранять работоспособность при повышении напряжения на ней до 145В, т.е. илт=145 В.

Если отказаться от увеличения светового потока и оставить первоначальное напряжение ил=145 В, то из выражения (2) следует: т = (UnT/ U„-l)/0,01=(145/120 - 1)/0,01=25(тысяч часов).

Учитывая, что рост напряжения на лампе со спеченными электродами не превышает 0,8В/1000 часов, ее долговечность, рассчитанная по приведенному алгоритму, составит 31,25 тысяч часов.

Полученные данные подтверждаются протоколами испытаний, проведенных в независимых испытательных центрах светотехнической продукции ОАО «ЛИСМА-ВНИИС», г. Саранск и «Shanghai Yangtai Lighting», КНР.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тай, Александр Викторович, 2013 год

Литература

1. Байнева И., Байнев В. Математические и программные средства моделирования источников света // Фотоника. 2013. № 3 (39). С. 70-84.

2. Решенов С.П. Расчет режима катодного пятна в дуговом разряде низкого давления // Светотехника. 1976. № 4. С. 18-19.

3. Решенов С.П. Катодные процессы в дуговом разряде, разработка методов расчета и конструирование электродов газоразрядных источников излучения: Дис.... докт. техн. наук. М., 1984.176 с.

4. Баранова В.И., Леонов Г.С., Решенов С.П. Модель процессов дуговых лампах высокого давления // Светотехника. 1987. № 8. С. 9-12.

5. Эрбс Г. Исследование температурного режима протяженных электродов дуг высокого и сверхвысокого давлений // Светотехника. 1969. № 8. С. 5-7.

6. Распределение температуры по длине электрода дуговой лампы / Л. Е. Белоусова [и др.] // Теплофиз. выс. темп. 1979. Т. 17, № 5. С. 1082-1085.

7. Приэлектродные процессы в дуговых разрядах / М. Ф. Жуков [и др.]. Новосибирск: Наука, 1982. 157 с.

8. Кристя В.И., Прасицкий В.В., Фишер М.Р. Исследование влияния геометрии электродов на перенос испаряемого с их поверхности эмиссионного вещества // Физика электронных материалов: Материалы Международной конференции. Калуга, 2002. С. 386.

9. Фоменко B.C. Эмиссионные свойства материалов. Киев: Наукова думка, 1981.320 с.

10. Решенов С. П. Расчет характеристик прикатодной области дугового разряда низкого давления для пространственной задачи с цилиндрической симметрией // ЖТФ. 1972. Т. 42, № 9. С. 1873-1878.

11. Перенос и переосаждение эмиссионного вещества электродов в разрядной колбе дуговой ртутной лампы высокого давления / A.B. Тай [и др.] // Радиационная физика твердого тела: Труды XX Международного совещания.

Севастополь: НИИПМТ МГНЭМ, 2010. С. 425-432.

12. Жиглинский А. Г., Кучинский В. В., ШейкинЕ. Г. Перенос распыленных атомов в газоразрядной плазме // ЖТФ. 1986. Т. 56, № 9. С. 1718-1723.

13. Плазменное термоэмиссионное преобразование энергии / И. П. Стаханов [и др.]. М.: Атомиздат, 1968. 392 с.

14. Физические основы термоэмиссионного преобразования энергии / Под ред. И. П. Стаханова. М.: Атомиздат, 1973. 374 с.

15. Термоэмиссионные преобразователи и низкотемпературная плазма / Под ред. Б. Я. Мойжеса, Г. Е. Пикуса. М.: Наука, 1973. 480 с.

16. Kühl В. Uber das Verhalten von Oxyd Katoden in der Niederdru-

ckentaladung // Technische Wissensehafliche Abhaundlungen der Osram Gesselschaft. 1958. Bd. 7, № 84. S. 114-121.

17. Решенов С. П. О расчете режима катодного пятна на электродах люминесцентных ламп// Светотехника. 1965. № 12. С. 25-29.

18. Cayless М. A. The Negative glow and catode spots in Low Pressure Arcs // 7 Journal of Elektronics and Control. 1958. Vol. 4, № 3. P. 237-259.

19. Waymouth I. F. Pulse Techigne for Probe Measurements in gas Discharge // Journ. Appl. Phys. 1959. Vol. 30. P. 1404-1412.

20. Решенов С. П. Расчет режимов работы электродов люминесцентных ламп: Дис.... канд. техн. наук. М., 1966. 163с.

21. Стаханов Н. П. Неравновесная ионизация в низковольтном дуговом разряде//ЖТФ. 1967. Т. 37, вып. 7. С. 1277-1297.

22. Бакшт Ф. Г., Йгитханов Ю. JL Об энергетической релаксации электронного катодного пучка в слабоионизованной плазме // ЖТФ. 1967. Т. 37, вып. 7. С. 1298-1313.

23. Стаханов И. П., Черковец В. Е. Функция распределения электронов и заселенность возбужденных состояний атомов в прикатодной области .низковольтной дуги//ЖТФ. 1971. Т. 41, вып. 7. С. 1400-1409.

24. Кесаев И. П. Катодные процессы электрической дуги. М.: Наука, 1968. 244 с.

25. Раховский В. И. Физические основы коммутации электрического тока в вакууме. М.: Наука, 1970. 536 с.

26. Зимин А. М., Козлов Н. П., Хвесюк В. И. Теоретические исследования термоэмиссионных катодов // Приэлектродные процессы и эрозия электродов плазмотронов: Тр. Ин-та теплофизики. Новосибирск: Наука, 1977. С. 7-40.

27. Зимин А. М., Козлов Н. П., Хвесюк В. И. К расчету термоэмиссионного катода // Изв. СО АН СССР. Сер. техн. наук. 1979. № 8. С. 17-24.

28. Зимин А. М., Козлов Н. П., Хвесюк В. И. Взаимодействие высокотемпературной плазмы со стенками // Тр. МВТУ. 1981. № 355. С. 20-29.

29. Любимов Г. А., Раховский В. И. Катодное пятно вакуумной дуги. // УФН. 1978. Т. 125, № 4. С. 665-707.

30. Эккер Г. Современное развитие теории приэлектродных областей электрической дуги // 7 ТВТ. 1973. Т. 11, № 4. С. 865-870.

31.Коржавый А.П., Кристя В.И. Физические процессы в прикатодной области тлеющего разряда и прогнозирование долговечности катодных материалов для отпаянных приборов // Обзоры по электронной технике. Материалы. 1988. Вып.7(1403). 40 с.

32. Одномерная модель процесса ионизации газа в ртутной осветительной лампе / В.И. Цай [и др.] // Радиационная физика твердого тела: Труды XV международного совещания. Севастополь, 2005. С. 264-268.

33. Розовский Е. И., Решенов С. П. Теоретические исследования прикатодной области диффузии в дуговом разряде высокого давления // Теоретические и прикладные вопросы светотехники: Тр. Моск. энерг. инта. М.: МЭИ, 1979. Вып. 401. С. 56-60.

34. Мак-Даниель И. Процессы столкновений в ионизированных газах. М.: Мир, 1967. 832 с.

35. Клярфельд Б. Н., Соболев В. Д. Катодная область ртутной дуги //ЖТФ. 1947. Т. 17, №3. С. 319.

36. Byron S., Stabler R.C., Boris P.I. Electron — ion recombination // Physics Rev. Letters. 1962. Vol. 8. P. 376.

37. Александров В. Я., Гуревич Д. Б., Подмошенский И. В. Исследование механизма возбуждения и ионизации в плазме аргоновой дуги // Оптика и спектроскопия. 1967. Т. 23, № 4. С. 521-527.

38. Решенов С.П. Расчет скорости неравновесной ионизации у катода с учетом переходов между верхними возбужденными состояниями // Теоретические и прикладные вопросы светотехники: Тр. Моск. энерг. инта. М.: МЭИ, 1976. Вып. 289. С. 86-90.

39. Решенов С. П. Расчет скорости ионизации в прикатодиой области дугового разряда низкого давления // Теоретические и прикладные вопросы светотехники: Тр. Моск. энерг. ин-та. М.: МЭИ, 1975. Вып. 210. С. 121-128.

40. Reshenov S. P., Lunk A. Untersuchung der Prozesse in der aktiven Zone der Hohlkatodenbogenentladung //Beitrage aus der Plasmaphysik. 1978. Bd. 18, №2. S. 101-111.

41. Temperature optimization in the cathode spot at the sintered electrode of a high - pressure ARC - discharge illuminating lamp / V.I. Kristya, N.V. List-chouk, V.V. Prassitski [et al.] // Physics of Electronic Materials: 2nd International Conference Proceedings. Kaluga, 2005. P. 298-300.

42. L.B. Loeb. Basic processes of gaseous electronics. Bercley, Calif: University of California, 1955. Chap. 8. P. 177-182.

43. Метод экспериментально-расчетного определения тепловых полей горелок металлогалогенных ламп / Ю.ГТ. Петренко [и др.] // Тр. Всесоюз. НИИ источников света. Саранск. 1982. Вып. XIV. С. 41-51.

44. Экспериментальное исследование влияния перепылённого вещества электродов на изменение их эмиссионных свойств в дуговых осветительных лампах высокого давления / В.И. Звонецкий, Н.В. Лищук, В.И. Мороков [и др.] // Физика электронных материалов: Материалы Международной конференции. Калуга, 2002. С. 388.

45. Атаев А.Е. Зажигание ртутных разрядных источников излучения высокого давления. М.: МЭИ, 1995. 168 с.

46. Уэймаус Д. Газоразрядные лампы. М.: Энергия, 1977. 344 с.

47. Рохлин Г. Н. Газоразрядные источники света. М.: Энергия, 1966. 560 с.

48. Москалев Б.И. Разряд с полым катодом. М.: Энергия, 1969. 184 с.

49. Решенов С.П. Расчет характеристик активной зоны полого катода в условиях дугового разряда // Светотехника. 1978. № 8. С. 10-11.

50. Полый катод в газоразрядной лампе / Н.Ф. Антошкин [и др.] // Тез. докл. VIII Всес. научн. конф. по светотехнике. Саранск, 1981. Ч. 2. С. 65-67.

51. Решенов С. П., Рыбалов С. JL Спиральные электроды с режимом полого катода // Тез. докл. Всес. научн.-техн. совещания по состоянию разработок и производства газоразрядных источников света. Полтава, 1982. С. 12-14.

52. Murase Т., Shimatani Т., Okamura Н. Investigation on Electrode Design and Lamp Perlomance for Metal—Halide Lamps // National Technical Report. 1981. Vol. 27, №3. P. 390-399.

53. Антошкин H. Ф., Решенов С. П. Исследование катодов различных конструкций в лампах ДРЛ и ДРИ // Физическая оптика и светотехника: Тр. Моск. энерг. ин-та. М.: МЭИ, 1981. Вып. 519. С. 133-138.

54. Электрод для газоразрядной лампы высокого давления: а.с. 957319 СССР / Н. Ф. Антошкин [и др.]. Опубл. 1982. Бюл. № 30.

55. Электродный узел газоразрядной лампы: а.с. 913480 СССР, МКИ Н 01J 61/06 / С. П. Решенов, С. Л. Рыбалов. Опубл. 1982. Бюл. № 10.

56. Термоэлектронные катоды / Г.А. Кудинцева [и др.]. М-Л.: Энергия, 1966. 367 с.

57. Эмиссионно-активное вещество для спечённого электрода натриевой лампы высокого давления / A.B. Тай [и др.] // Наукоемкие технологии. 2010. Т.П. С. 29-33.

58. Электрод газоразрядной лампы: патент 2278441 РФ / В.И. Цай, Е.А. Букатов, В.И. Кристя, В.В. Прасицкий, Р.И. Хабибулин. Опубл. 20.06.2005. Бгалл. № 17.

59. Электрод: патент 6 045 749 США. МПК B22F3/12. Заявл. 02.06.1999; опубл. 04.04.2000. НПК 266/252.

60. Gas-discharge lamps electrode: Patent China / V.l. Kristya, V.V. Pras-sitski, V.l. Tsai. ZL032053. 08.8.2004.

61. Смесь для изготовления синтерированных электродов для газоразрядных источников света: а. с. 694918 СССР / Ф. А. Бутаева, С. П. Решенов, С. Л. Рыбалов. Опубл. 1979. Бюл. № 40.

62. Исследование и изыскание эффективных источников электронов для газоразрядных приборов и практика их применения / X. С. Кац [и др.] // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1985. Т. 49, № 9. С. 1708-1711.

63. Дмитриева В.Н., Жмудь Е.С. Исследование свойств алюминатов и алюмосиликатов бария-кальция и их взаимодействия с вольфрамом // Электронная техника. Электроника СВЧ. 1968. Вып. 12. С. 73-75.

64. Плановский А.Н., Рамм В.М., Коган С.З. Процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1968. 848 с.

65. Либенсон Г.А., Панов B.C. Оборудование цехов порошковой металлургии. М.: Металлургия, 1983. 264 с.

66. Аксенов Г.И. Основы порошковой металлургии. Куйбышев: Куйбышевское книжное издательство, 1962. 634 с.

67. Физико-химические свойства элементов: Справочник / Под ред. Г.В. Самсонова. Киев: Наукова думка, 1965. 807с.

68. Паничкина В.В., Уварова И.В. Методы контроля дисперсности и удельной поверхности металлических порошков. Киев: Наукова думка, 1973. 167с.

69. Структура и свойства малых металлических частиц / И.Д. Морохов [и др.] // УФН. 1981. Т. 133, №4. С. 653-692.

70. Гегузин Я.Е. Физика спекания. М.: Наука, 1967. 360 с.

71. Матвеев А.С., Инюхин М.В., Тай А.В. Технологические аспекты получения нанокомпозиционных материалов на основе вольфрама // НАНОИНЖЕНЕРИЯ-2010: Сборник трудов третьей Всероссийской Школы-семинара студентов, аспирантов и молодых ученых. М., 2010. С. 80-84.

72. Скороход С.С, Солонин Ю.М., Уварова И.В. Химические, диффузионные и реологические процессы в технологии порошковых материалов. Киев: Наукова думка, 1990. 248 с.

73. Хачатурян А.Г. Теория фазовых превращений и структур в твердых растворах. М.: Наука, 1974. 383 с.

74. Третьяков Ю.Д. Твердофазные реакции. М.: Химия, 1978. 359 с.

75. Цивилев Р.П. Поверхность контакта порошкообразных веществ и скорость их взаимодействия в твердой фазе // Изв. АН СССР. Неорг. материалы. 1986. С. 442-445.

76. Оптимизация температуры поверхности спеченного электрода дуговых осветительных ламп высокого давления / В.И. Кристя [и др.] // Физика электронных материалов: Материалы 2-ой Международной конференции. Калуга, 2005. Т. 2. С.298-300.

77. Improved sintered electrode design for high-pressure arc-discharge illumination lamps / G.G. Bondarenko [et al.] // 8th China-Russia Symposium on New Materials and Technologies. Guangzhou (China), 2005. C. 345.

78. Electrode material transport and re-deposition in high-intensity arc discharge lamps / G.G. Bondarenko [et al.] // Vacuum. 2004. V. 73, №2. P. 155159.

79. Жиглинский А. Г., Кучинский В. В., Шейкин Е. Г. Перенос распыленных атомов в газоразрядной плазме // ЖТФ. 1986. Т. 56, №9. С. 17181723.

80. Vaporization of a solid surface in an ambient gas /M.S. Benilov [et al.] //J. Phys. D: Appl. Phys. 2001. V. 34, № 13. P. 1993-1999.

81. Самарский А. А. Теория разностных схем. M.: Наука, 1977. 600 с.

82. Моделирование теплового баланса электродов в осветительных лампах дугового разряда переменного тока / Г.Г. Бондаренко [и др.] // Наукоемкие технологии. 2002. № 5. С.30-34.

83. Электрод для газоразрядных ламп и, способ его изготовления: а.с. 680082 СССР / Ф. А. Бутаева, С. П. Решенов, С. Л. Рыбалов / Опубл. 1979. Бюл. № 30.

84. Бутаева Ф.А., Решенов С.П., Рыбалов C.JI. Синтерированный катод в люминесцентной лампе // Светотехника. 1978. № 9. С. 10-11.

85. Охонская Е. В., Решенов С. П., Третьяков А. Г. Расчет переноса компонент оксида в прикатодной области дугового разряда низкого давления // Светотехника: Тр. Моск. энерг. ин-та. М.: МЭИ, 1973. Вып. 167. С. 105-112.

86. Мойжес Б. Я. Физические процессы в оксидном катоде. М.: Наука, 1968.479 с.

87. Рохлин Г. Н., Решенов С. П. О цикле атомов оксида в прикатодной области дугового разряда // Светотехника. 1970. № 11. С. 5-7.

88. Охонская Е. В. Физические основы расчета н конструирования газоразрядных источников света: Учебн. пособие. Саранск: Изд. Мордов. унта, 1985. 60 с.

89. Птицин С. В. Физические явления в оксидном катоде. М.: ГИТТЛ, 1949. 136 с.

90. Рохлин Г. Н., Решенов С. П. О цикле атомов оксида в прнэлектрод-ной области дугового разряда // Светотехника. 1970. № 11. С. 5.

91. Дмитриева В.Н., Жмудь Е.С. Термографические и рентгенофазовые исследования процессов, происходящих при изготовлении алюминатных катодов // Электронная техника. Электроника СВЧ. 1967. Вып.7. С.174-177.

92. Aggarwal P.S., Bishui В.М., Sem S.K. Bull. Central Class. Cerem. Res. Inst. (Calkutta). 1970. V.17, №2. P. 52.

93. Исследование теплового баланса электродов дуговых осветительных ламп при различных разрядных режимах / Г.Г. Бондаренко [и др.]

// Радиационная физика твердого тела: Труды XVII Международного совещания. Севастополь, 2007. С.672-677.

94. Lowke J. J. A relaxation method of calculating arc temperature profiler applied to discharges in sodium vapor // Journ. Quant. Spestrosc. Radiat. Transfer. 1969. Vol. 9. P. 839-854.

95. Тепловые характеристики электродов разрядных источников света / Е.А. Букатов [и др.] // Наукоемкие технологии. 2005. №3-4. С. 51-55.

96. Исследования динамических характеристик процессов взаимодействия композиционных электродов с разрядной плазмой / Я.К. Лейковский [и др.] // Наукоемкие технологии. 2005. №3-4. С. 47-50.

97. Кристя В.И., Прасицкий В.В., Тай А.В. Влияние разрядного режима на температуру электродов дуговых осветительных ламп // Тезисы докладов XL Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. М., 2010. С. 193.

98. Оптимизация размеров спеченного электрода газоразрядной осветительной лампы с целью минимизации времени перехода разряда в дуговую форму при ее зажигании / Г.Г. Бондаренко [и др.] // Радиационная физика твердого тела: Труды XVIII Международного совещания. М., 2008. С. 593-597.

99. Kristya V.I., Prassitski V.V., Leikovski Y.K. Sintered illuminating lamp electrodes with reduced time of glow-to-arc transition // Physics of Electronic Materials: Proceedings of 3nd International Conference. Kaluga (Russia), 2008. Vol. l.P. 149-150.

100. Особенности применения спечённых электродов для дуговых разрядных осветительных ламп / А.В. Тай [и др.] // Наукоемкие технологии. 2010. Т.П. С. 34-36.

101. Electrode material transport and re-deposition in high-intensity arc discharge lamps / G.G. Bondarenko [et al.] // Vacuum. 2004. V.73, № 2. P. 155-159

102. Расчет неоднородности нагрева поверхности электрода потоком ионов в дуговом разряде с катодным пятном / Г.Г. Бондаренко [и др.]

// Тезисы докладов XXXIV Международной конференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами. М., 2004. С. 28.

103. Electrode material transport and re-deposition in high-intensity arc discharge lamps / G.G. Bondarenko [et al.] // Vacuum. 2004. V.73, № 2. P.155-159.

104. Расчет максимальной температуры электрода дуговой лампы при различном расположении катодного пятна разряда на его поверхности / Г.Г. Бондаренко [и др.] // Радиационная физика твердого тела: Труды XIV Международного совещания. М., 2004. С. 377-381.

105. Gas-discharge lamp electrode: China People Republic Patent No. ZL 03205308.8 / V.I. Tsai [et al.]; 29.09.2004.

106. Temperature optimization in the cathode spot at the sintered electrode of a high-pressure arc-discharge illuminating lamp / V.I. Kristya [et al.] // Physics of Electronic Materials: Proceedings of 2nd International Conference. Kaluga (Russia), 2005. Vol. 1. P. 298-300.

107. Одномерная модель процесса ионизации газа в ртутной осветительной лампе / Г.Г. Бондаренко [и др.] // Радиационная физика твердого тела: Труды XV Международного совещания. М., 2005. С. 264-268.

108. Решенов С.П. Катодные процессы в дуговых источниках излучения. М.: Издательство МЭИ, 1991. С. 201-205.

109. Прасицкий В.В., Тай А.В. Технологические аспекты изготовления спеченных электродов газоразрядных приборов // Наукоемкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе: Материалы Всероссийской научно-технической конференции. М., 2011. С.72-75.