Пороговые токи взрывной электронной эмиссии в разрядных источниках света

УДК 621.327

В. А. Горюнов, А. М. Майоров, М. И. Майоров, В. Г. Родченков

ПОРОГОВЫЕ ТОКИ ВЗРЫВНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ В РАЗРЯДНЫХ ИСТОЧНИКАХ СВЕТА

Аннотация. Исследованы процессы перехода разряда в дуговую форму в разрядных источниках света высокого и низкого давления при холодном катоде. Взрывная электронная эмиссия (ВЭЭ) обеспечивает достаточную плотность тока для такого перехода. Минимальные пороговые токи ВЭЭ зависят от типа источника света и для исследованных приборов находятся в пределах от 0,21 до 4 А. Эти данные необходимы для улучшения рабочих характеристик источников света, для разработки эффективных зажигающих устройств.

Ключевые слова: взрывная электронная эмиссия, разрядные источники света.

Abstract. The article investigates the processes of transition of a discharge to an arc form in the discharge light sources of high and low pressure with a cold cathode. Explosive electron emission (EEE) provides sufficient current density for this transition. The minimum threshold currents of EEE depend on the type of light source and, regarding the devices under examination, range from 0,21 A up to 4 A. These data are needed to improve the performance of light sources and to develop effective lighters.

Key words: explosive electron emission, discharge light sources.

При зажигании разрядных источников света было отмечено, что процесс перехода из тлеющего в стационарный дуговой разряд проходит через состояние с быстроперемещающимися светящимися пятнами, характерными для «холодного катода» [1].

Взрывной электронной эмиссией (ВЭЭ) называют испускание электронного тока c поверхности проводника, являющегося катодом, вследствие взрыва микроскопического объема на его поверхности [2].

Одной из технически важных характеристик ВЭЭ в разрядных источниках света является значение минимального тока, при котором это явление реализуется. Данные об этой характеристике необходимы для улучшения рабочих характеристик источников света, для разработки эффективных зажигающих устройств.

При исследованиях характеристик ВЭЭ применяли установку, схема которой представлена на рис. 1. Конденсатор С от источника питания заряжали до начального напряжения инач в диапазоне 30-270 В. Затем источник питания при помощи ключа К1 отключали и между внешним электродом и электродом лампы Л прикладывали импульс (—10000 В) от блока формирования высоковольтных импульсов, инициирующий разряд в лампе, при этом конденсатор С разряжался. Сопротивление R ограничивало ток через лампу. При замыкании ключа К2 с помощью вольтметра V регистрировали остаточное напряжение иост на конденсаторе С. Это напряжение было равно минимальному значению напряжения на лампе Л в процессе пробоя и по нему можно было судить о минимальном значении катодного падения напряжения в процессе пробоя.

По величине остаточного напряжения можно судить о процессах, которые происходили в лампе. Так, если иост — 100...150 В, то считали, что в лам-

пе существовал только тлеющий разряд, а если иост ~ 10...50 В, то следовало говорить о переходе разряда в низковольтную стадию (дуговой разряд) с вероятным возникновением взрывной электронной эмиссии. Для возникновения ВЭЭ важен ток, протекающий через лампу, поскольку им определяется ширина области катодного падения и в конечном итоге напряженность электрического поля Ек. Меняя токоограничительное сопротивление Я при одном и том же Цнач, регистрировали Цост и по его значению определяли вид электронной эмиссии и вычисляли минимальное значение тока, инициирующего ВЭЭ.

Я

Рис. 1. Схема установки для исследования характеристик ВЭЭ в разрядных источниках света: С - конденсатор; V - вольтметр; Я - токоограничительное сопротивление; Л - исследуемая лампа

Емкость конденсатора С выбиралась с учетом того, чтобы энергии, запасенной в нем, не хватило для существенного нагревания электрода, т.е. чтобы разряд в лампе проходил при холодном электроде. В большинстве случаев напряжение зарядки конденсатора емкостью С = 10 мкФ, при котором происходил переход в дуговой разряд (пробой), не превышало 150 В. При этом в конденсаторе накапливалась энергия Ж ~ 0,1 Дж. С помощью этой энергии можно нагреть электрод массой 1 г менее чем на градус (масса электродов в большинстве ламп высокого давления превышают 1 г). Таким образом, измерения токов ВЭЭ проходили при «холодных» электродах.

В качестве образцов ламп высокого давления для измерения использовались газоразрядные лампы различной конструкции: серийно выпускаемые и специально изготовленные, фотографии горелок этих ламп представлены на рис. 2.

Для обозначения горелок серийных ламп названия не менялись, а для специальных ламп расшифровка обозначения приведена ниже. Лампы 1 и 2 -специально изготовленные лампы в кварцевой колбе с электродами и по технологии производства ламп типа ДРЛ с различным наполнением. Лампа 3 (рис. 2.) - серийная горелка лампы ДРИ-400. Лампы 4а, 4б, 4в - серийные горелки ламп ДНаТ (а - 400 Вт, б - 250 Вт, в - 150 Вт). Лампа 5 - серийная лампа ДРИШ-570. Если горелка лампы имела сложное наполнение, состоящее из разных газов, под разным давлением, то это записывалось так: Лг20 + (лампа наполнена аргоном под давлением 20 мм рт.ст. с добавкой

ртути).

Лампы включали в соответствии со схемой установки (рис. 1) и проводили измерения электрических характеристик. Для ламп Лг20 + И§,

Лг4, ДРИ-400, Хе20, ДНаТ-400, ДРИШ-570 проводили измерения при емкости конденсатора С = 1, 4, 10 мкФ.

Рис. 2. Типы горелок разрядных источников света высокого давления

На рис. 3 приведены зависимости иост от инач при различных токоограничительных сопротивлениях для лампы ДРИ-400. Из данных (рис. 3) видно, что при различных емкостях конденсатора С, но при одинаковых величинах токоограничительного сопротивления Я резкое изменение иост (пробой) реализуется не при одинаковом значении инач. Чем больше емкость С при фиксированном Я, тем ниже напряжение пробоя. Это связано с тем, что процесс перехода разряда в дуговой при любом механизме всегда проходит стадию тлеющего и аномального тлеющего разряда. На этих стадиях заряд, накопленный в конденсаторе С, расходуется на поддержание данных типов разряда. Если емкость С мала, то и напряжение на конденсаторе изменится значительно, следовательно, для малых емкостей при прочих равных условиях пробой будет наблюдаться при более высоком значении инач и наоборот.

Полученные данные позволили вычислить минимальный ток /пр.мин, при котором возможен пробой, возможна ВЭЭ для различных типов ламп. Ток, при котором возможен пробой /пр, равен отношению напряжения инач.порог (напряжения инач при котором происходит резкое изменение иост) к токоограничивающему сопротивлению 1пр = инач.порог /Я .

Для лампы ДРИ-400 и С = 10 мкФ (рис. 3,в): при Я = 10 Ом /пр = 130 В/10 Ом = 13 А; при Я = 39 Ом /пр = 170 В/39 Ом = 4,4 А ; при

Я = 47 Ом /пр = 210 В/47 Ом = 4,5 А ; при Я = 56 Ом /пр = 220 В/56 Ом = 4 А .

При величинах токоограничительных сопротивлений Я = 100, 150 и 330 Ом

переход в дуговой разряд не реализуется ни при каких значениях инач. Таким образом, минимальное значение тока /прмин, при котором возможен переход разряда в дуговую форму для лампы ДРИ-400, составляет 4 А.

иост. В 140 120 100 30 60 40 20 0

-0 Ом -1^—10 Ом -1^—39 Ом -ЇІ=47 Ом -Р!=56 Ом -Р!=1 00 Ом

Унач, В

а)

1 1

1

4» "0

-К=0 Ом

- Р= IО Ом

- Р=ЗЭ Ом -Р~47 Ом

- Р=56 Ом -Р~ І00 Ом -Р~150 Ом _ Р-ЗЗО -Оі.'І

50

100

150

200

250

Унач, В

инач. В

в)

Рис. 3. Зависимость остаточного напряжения иост от начального напряжения при различных токоограничительных сопротивлениях Я (лампа ДРИ-400): а) С = 1 мкФ; б) С = 4 мкФ; в) С = 10 мкФ

Подобным образом были обработаны результаты измерений и для других исследованных ламп. Пробой в разных лампах при прочих равных усло-

виях происходит при различных значениях инач. Самое низкое значение инач, при котором разряд переходил в дуговую фазу (реализовывался механизм ВЭЭ), наблюдали у лампы ДНаТ-400, самое высокое - у ДРИ-400.

Анализ зависимостей, подобных приведенным на рис. 3, для ламп типа Лг20 + И§, Лг4, Хе20, ДНаТ-400, ДРИШ-570, а также для специально изготовленных ламп в кварцевой горелке, наполненных Лг, Хе, при различных давлениях показал, что в них также реализуется переход разряда в дуговую форму (с реализацией механизма ВЭЭ). Значения /пр для исследованных ламп приведены в табл. 1, в ней же указаны минимальные значения тока, при котором возможна ВЭЭ - /пр.мин. Представлены данные измерений при использовании емкости С = 10 мкФ

Таблица 1

Значения /пр для исследованных ламп высокого давления

Ток Величина сопротивления Я, Ом / А 1 пр.мин. ?

10 20 39 47 56 86 100 150 220

Лампа ДНаТ-400

/пр, а 2,3 1,4 1,2 1 1

Лампа Аг20 + И§

/пр, а 13 6,5 3 2 1,5 - 1,5

Лампа Аг4

/пр, а 7 2,3 2 1,63 - - - 1,63

Лампа Хе20

/пр, А 3 2 1,8 - 1,8

Лампа ДРИШ-570

/пр, А 8 4 3,5 - - - - 3,5

Лампа ДРИ-400

/пр, А 13 4,4 4,5 4 - - - - 4

Из данных табл. 1 видно, что для различных ламп минимальный ток, при котором реализуется переход разряда в дуговую форму (возможна ВЭЭ) 1пр.мин, имеет различное значение - самое малое значение /пр.мин у лампы ДНаТ-400, самое большое - у ДРИ-400. Этот факт является следствием различной конструкции ламп, материала их электродов, а также различного их наполнения.

При зажигании и работе газоразрядной лампы на переменном токе также можно зафиксировать ток, при котором реализуется ВЭЭ. На рис. 4 представлены осциллограммы зажигания и горения ламп ДРИ, ДНаТ и лампы Лг4 на переменном токе. Пунктирной линией указано место мгновенного перехода разряда в низковольтную форму, механизм перехода - ВЭЭ. В начальный момент времени при нарастании тока напряжение на лампе более 100 В (тлеющий разряд) и остается постоянным до достижения током определенного значения (пунктир на осциллограмме). В некоторый момент времени, когда ток достиг определенного значения (указанного стрелкой), напряжение скачкообразно уменьшается до 20-30 В - разряд переходит в дуговой.

Далее напряжение остается постоянным до момента, когда величина тока станет низкой для обеспечения дугового разряда. Процесс повторяется, но время тлеющего разряда сокращается по сравнению с первым полупериодом.

а)

б)

в)

Рис. 4. Осциллограммы зажигания ламп на переменном токе (разряд инициирован одним зажигающим импульсом длительностью 2 мкс, совпадающим с началом развертки): а - ДРИ-400; б - ДРИШ-570; в - лампы Аг4; 1 - напряжение на лампе; 2 - ток через лампу

Через несколько полупериодов электроды лампы нагреются током дугового разряда до такого своего значения, при котором активная термоэлектронная эмиссия сможет обеспечить ток электронов, необходимый для поддержания дугового разряда с горячим катодом.

Анализ осциллограмм на рис. 4 позволил зафиксировать ток через лампу при возникновении ВЭЭ (место указано стрелкой). Так, для лампы ДРИШ-570 ток ВЭЭ 1пр ~ 3,2 А, для ДРИ-400 1пр ~ 3,9 А, для Лг4 1пр ~ 1,6 А. Сравнение этих данных с данными табл. 1 показывает, что ВЭЭ в одних и тех же лампах (как при одиночном импульсе, так и при работе на переменном токе) возникает при одной и той же величине тока.

Были проведены исследования перехода разряда в дуговую форму и для ламп низкого давления. Исследовали этот переход для ламп с холодными электродами, как и в случае ламп высокого давления, что позволило связать переход разряда в дуговую форму с возникновением ВЭЭ.

Для исследования порога взрывной электронной эмиссии в разрядных источниках света низкого давления использовали ЛЛ типа ЛБ-20 с прямыми и триспиральными электродами. Название ламп содержало обозначение типа лампы (ЛБ-20), цифру (порядковый номер лампы) и букву (П - прямой электрод, Т - триспиральный электрод). При проведении экспериментов для увеличения достоверности использовали не менее пяти ламп каждого типа.

Как и в случае с разрядными источниками излучения высокого давления, важнейшим параметром, характеризующим условия возникновения ВЭЭ, является определенная плотность тока.

Для ламп ЛБ-20-1Т, ЛБ-20-2Т, ЛБ-20-3Т, ЛБ-20-1П, ЛБ-20-2П, ЛБ-20-3П были проведены измерения при различных значениях емкости конденсатора С. Измеряли зависимость иост от инач при различных токоограничительных сопротивлениях. Для лампы ЛБ-20-1Т получили для сопротивления Я = 86 Ом

инач. порог

50 В, для Я 150 Ом Цнач.порог 80 В, для Я 220 Ом Цнач.порог 110 В, для Я = 330 Ом, инач.порог = 150 В.

Подобные результаты были получены и для других ламп. Анализ этих данных позволил вычислить минимальный ток, при котором возможен пробой, т.е. переход лампы из непроводящего состояния в проводящее при котором реализуется дуговой разряд с холодным катодом (реализуется ВЭЭ), так как не было замечено разогрева электрода до температур, обеспечивающих термоэлектронную эмиссию.

Ток, при котором возможен пробой 1пр, равен отношению напряжения инач.порог к токоограничивающему сопротивлению Я: 1пр = иначпорог/Я .

Для лампы ЛБ-20-1Т при Я = 86 Ом 1пр = 50 В/86 Ом = 0,581 А , при Я = 150 Ом 1пр = 80 В/150 Ом = 0,533 А , при Я = 220 Ом Iпр = 110 В/220 Ом = = 0,5 А , при Я = 330 Ом 1пр = 150 В/330 Ом = 0,454 А . Из полученных данных можно выбрать минимальное значение тока 1пр, при котором возможен пробой этой лампы, 1пр.мин = 0,454 А.

Анализ данных, полученных для ламп ЛБ-20-2Т, ЛБ-20-3Т, ЛБ-20-1П, ЛБ-20-2П, ЛБ-20-3П, показал, что в них также реализуется ВЭЭ. Значения 1пр для данных ламп приведены в табл. 2 при С = 10 мкФ, в ней же указаны минимальные значения тока, при котором возможна ВЭЭ.

Таблица 2

Значения 1пр для исследованных ламп низкого давления

Ток Величина сопротивления R, Ом -^пр.мин, А

86 150 220 330 430 560 680 1000

Лампа ЛБ-20-1П

Іпр, а 0,58 0,53 0,5 0,45 - - - - 0,45

Лампа ЛБ-20-1Т

Іпр, А 0,3 0,29 0,27 0,25 0,21 - 0,21

Лампа ЛБ-20-2Т

Іпр, А 0,35 0,33 0,31 0,3 0,26 0,24 - 0,24

Лампа ЛБ-20-3Т

Іпр, А 0,31 0,3 0,29 0,25 0,23 - 0,23

Лампа ЛБ-20-2П

Іпр, А 0,45 0,41 0,39 0,35 0,303 - - 0,303

Лампа ЛБ-20-3П

Іпр, А 0,5 0,47 0,43 0,4 0,36 - - - 0,36

Из данных табл. 3 видно, что для различных ламп минимальный ток /пр.мш, при котором возможна ВЭЭ, имеет различное значение - меньшие значения /пр.мин у ламп ЛБ-20-1Т, ЛБ-20-2Т, ЛБ-20-3Т, большие - у ЛБ-20-1П, ЛБ-20-2П, ЛБ-20-3П. Этот факт является следствием различной конструкции электродов ламп (у ламп ЛБ-20-1Т, ЛБ-20-2Т, ЛБ-20-3Т электрод триспи-ральной конструкции, у ламп ЛБ-20-1П, ЛБ-20-2П, ЛБ-20-3П - прямой электрод), а также различным способом подготовки и составом эмиссионного покрытия.

Пробой в разных лампах, при прочих равных условиях, происходит при различных значениях инач. Самое низкое значение инач, при котором реализовывался механизм ВЭЭ, у лампы ЛБ-20-1Т, самое высокое - у ЛБ-20-1П.

Результаты исследования показали, что переход разряда в дуговую форму при холодном катоде возможен только при условии обеспечения зажигающим устройством тока, не меньшего некоторой величины, различной для различных ламп. Именно эти значения тока соответствуют пороговым токам взрывной электронной эмиссии в данном разрядном источнике света.

Список литературы

1. Решенов, С. П. Катодные процессы в дуговых источниках излучения / С. П. Решенов. - М. : Изд-во МЭИ, 1991. - 251 с.

2. Месяц, Г. А. Эктон - лавина электронов из металла / Г. А. Месяц // УФН. -1995. - Т. 165, № 6. - С. 601-626.

Горюнов Владимир Александрович

доктор физико-математических наук, профессор, кафедра экспериментальной физики, Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева

Goryunov Vladimir Alexandrovich Doctor of physical and mathematical sciences, professor, sub-department of experimental physics, Mordovia State University named after N. P. Ogaryov

E-mail: gorval1934@mail.ru

Майоров Александр Михайлович

кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра автоматизации производственных процессов, Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева

E-mail: gorval1934@mail.ru

Майоров Михаил Иванович доктор технических наук, профессор, кафедра общенаучных дисциплин, Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева

E-mail: gorval1934@mail.ru

Родченков Василий Григорьевич

аспирант, Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева

E-mail: gorval1934@mail.ru

Mayorov Alexander Mikhaylovich Candidate of physical and mathematical sciences, associate professor, sub-department of production processes automation, Mordovia State University named after N. P. Ogaryov

Mayorov Mikhail Ivanovich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of general scientific disciplines, Mordovia State University named after N. P. Ogaryov

Rodchenkov Vasily Grigoryevich

Postgraduate student, Mordovia State University named after N. P. Ogaryov

УДК 621.327 Горюнов, В. А.

Пороговые токи взрывной электронной эмиссии в разрядных источниках света / В. А. Горюнов, А. М. Майоров, М. И. Майоров, В. Г. Родченков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Физикоматематические науки. - 2011. - № 4 (20). - С. 110-118.