Источник УФ излучения с гелийсодержащим наполнением
SOURCE OF UV RADIATION WITH HELIUM-CONTAINING FILLING

Изобретение относится к области светотехники, в частности к газоразрядным лампам низкого давления с гелиевым наполнением, и может быть использовано для мощных газоразрядных ламп ультрафиолетового диапазона излучения, предназначенных для обработки водных и воздушных сред, а также поверхностей.
Известно, что основное преимущество применения гелия в качестве наполнения ламп низкого давления по сравнению с лампами, наполненными более тяжелыми инертными газами (аргоном, неоном) состоит в увеличении погонной мощности разряда. Однако, основным препятствием, которое ограничивает использование гелия или его смеси с другими газами в качестве наполнения газоразрядных ламп, является его высокая текучесть и способность к проникновению через материал колбы и элементы конструкции лампы, следствием чего является уменьшение концентрации (парциального давления) гелия в лампе, приводящее к изменению ее электроизлучательных параметров и уменьшению срока ее службы. (Norton F. Helium diffusion through glass. Journal of the American Ceramic Society, 1953, 36(3), 90-96). Так, известно, что традиционная амальгамная УФ-лампа низкого давления на основе разряда в смеси благородных газов Ar, Ne, Kr или Хе, имеет срок службы 12000-16000 ч, удельную электрическую мощность в разряде 1.5-4.5 Вт/см и погонную мощность УФ-излучения 0.4-1.4 Вт/см. Источники, где в качестве буферного газа использован гелий имеют существенно более высокие электроизлучательные характеристики (такие важные, как полный поток УФ-излучения и потребляемая мощность). Однако, за счет утечки гелия через кварц характеристики такой УФ-лампы быстро изменяются. В зависимости от особенностей лампы (толщины кварца, его марки, давления и состава газа внутри лампы) срок службы ее составляет всего 50-500 ч.
Поэтому в данной области техники важной задачей является сохранение и поддержание требуемой концентрации гелия в колбе газоразрядной лампы. Указанная задача, как правило, решается путем компенсации количества гелия в колбе лампы при помощи различных средств.
Известен способ предотвращения утечки заполняющего газа (в частности, гелия) из металлогалогенных компактных ламп среднего давления (патент EP 2139024, H01L 61/52, 2009 г.), в котором описан источник излучения, состоящий из горелки и окружающего его светопроницаемого кожуха, заполненного газом, в том числе гелием.
Использование гелия, обладающего высокой теплопроводностью по сравнению с другими применяемыми в таких лампах газами, позволяет оптимизировать температурный режим лампы. Кожух выполнен из алюмосиликатного стекла, высокотемпературного стекла или другого материала с низкой Скоростью диффузии гелия. На внешнюю и внутреннюю поверхности кожуха может быть нанесено светопроницаемое покрытие, также снижающее утечку гелия. Стенки кожуха имеют толщину 0,5-2,0 мм. Результатом применения различных покрытий и алюмосиликатного стекла, препятствующих утечке гелия является увеличение срока службы лампы со 100 час. до 3000 час.
Однако, описанное в аналоге техническое решение, направленное на сохранение в кожухе лампы гелия, необходимого для эффективного охлаждения горелки и продления срока службы лампы, не решает задачу по поддержанию концентрации гелия в течение длительного периода из-за конечности запасов гелия в ламповом кожухе.
Известно также устройство для поддержания давления гелия в электровакуумном приборе, представляющее собой кварцевую ампулу, наполненную гелием, помещенную в колбу электровакуумного прибора, снабженную подогревателем изменение величины тока через который определяется давлением гелия. В качестве датчика измерения давления используется тепловой манометр, нить которого находится внутри прибора. Устройство позволяет компенсировать расход гелия в процессе работы электровакуумного прибора и поддерживать стабильными его характеристики в течение нескольких сотен часов (Авторское свидетельство СССР №135541, 21g12/01, 1959 г.).
Недостатком аналога является сложность конструкции и самого технического решения, а также конечность запаса гелия в кварцевой ампуле.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является газоразрядная безртутная гелиевая лампа низкого давления, конструкция которой позволяет компенсировать давление гелия в лампе (Авторское свидетельство СССР №278875, H01J 61/16, 1969 г.).
В разрядную колбу лампы, с целью компенсации потерь гелия, возникающих в процессе горения лампы, и для повышения тем самым срока ее службы, вводят кварцевую ампулу, наполненную гелием, диффундирующим через кварц, и пополняющим расход гелия из лампы в окружающее ее пространство. Ампула расположена внутри лампы вдоль ее центральной оси и закреплена на проволочных поддержках, приваренных к электродам лампы. Геометрические размеры ампулы и давление гелия в ней должны быть подобраны так, чтобы истечение гелия из ампулы компенсировало его расход.
Недостатками прототипа являются сложность всей конструкции, ее малая надежность, недостаточная управляемость процессом компенсации, ограниченность времени компенсации запасом гелия в ампуле.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание источника УФ излучения на основе газоразрядной лампы с гелийсодержащим наполнением, со стабильными электроизлучательными характеристиками, сроком службы 12000-16000 ч. и повышенной мощностью не менее чем в 1.5-2 раза по сравнению с традиционными амальгамными лампами за счет поддержания постоянной концентрации гелия.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в стабилизации электроизлучательных параметров источника УФ излучения, в достижении срока службы предлагаемого источника УФ излучения аналогичного срокам службы традиционных амальгамных ламп низкого давления, не содержащих гелия, а также в отсутствии необходимости постоянного контроля за концентрацией гелия внутри источника.
Указанный технический результат достигается тем, что источник УФ излучения, включающий газоразрядную лампу с гелийсодержащим наполнением и средство для поддержания концентрации гелия в газоразрядной лампе, согласно изобретению, в качестве средства для поддержания концентрации гелия содержит светопроницаемый кожух, имеющий вход, соединенный с источником газовой гелийсодержащей смеси заданного состава, и выход для отвода этой смеси, окружающий газоразрядную лампу, таким образом, что лампа омывается потоком указанной газовой смеси, концентрация содержания гелия в которой соответствует концентрации содержания гелия в газоразрядной лампе.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен источник УФ излучения с гелийсодержащим наполнением и с поддерживаемой концентрацией гелия; на фиг. 2, 3 - выполнение УФ источника с открытым и закрытым чехлом; на фиг. 4 - многоламповая система на основе заявленного источника излучения, а на фиг. 5 показана графическая зависимость мощности УФ излучения и потребляемой мощности источника УФ излучения с гелиевым наполнением в зависимости от срока службы.
Источник УФ излучения содержит газоразрядную лампу 1, снабженную выводами 2, к которым с помощью проводов и разъема подводится необходимое электропитание лампы от блока питания 3. Разрядная колба лампы заполнена смесью гелия с инертными газами. Лампа заключена внутри светопроницаемого полого кожуха 4, соединенного с источником гелийсодержащей газовой смеси заданного состава, и имеющего вход 5 для подачи и выход 6 для отвода газовой смеси. В качестве источника гелийсодержащей газовой смеси может быть использован баллон 7, снабженный регулируемым редуктором 8, и соединенный, с кожухом, например, при помощи трубопровода 9.
Для многоламповой системы, показанной на фиг. 4, подача гелийсодержащей газовой смеси осуществляется одновременно от одного или нескольких баллонов 7 в кожухи 4 нескольких УФ источников одновременно.
Устройство работает следующим образом. В источнике УФ-излучения лампа 1 помещена в светопроницаемый кварцевый кожух 4, на вход 5 которого через редуктор 8 подается гелийсодержащая смесь из баллона 7 высокого давления (150-300 атм), где концентрация гелия в баллоне с другими газами (например, воздухом, азотом, благородными или иными газами) составляет 0.0013-1.3%. Кожух окружает лампу таким образом, что между стенками разрядной колбы лампы и внутренней стенкой кожуха имеются зазоры, по которым проходит омывающая лампу газовая смесь. Газовая смесь полностью наполняет кожух, постоянно омывает лампу во время горения и выводится через выход 6. За счет постоянства концентрации гелия в омывающей смеси обеспечивается постоянство концентрации гелия в лампе. При этом осуществление контроля за содержанием гелия внутри газоразрядной лампы источника УФ излучения не требуется.
Пример реализации изобретения
1
1
1
2
2
2
В установке для обеззараживания воды УФ излучением УДВ 1А-300 используется источник УФ излучения на основе амальгамной лампы ДБ300НО. Температура воды составляет 10-15°С. Внутри кварцевого кожуха 4 длиной L=1880 мм, наружным диаметром d=34 мм и толщиной стенки λ=2 мм, расположена кварцевая амальгамная УФ-лампа 1 низкого давления длиной L=1600 мм и наружным диаметром d=22 мм (толщина стенки λ=1,4 мм). Лампа располагается по оси кварцевого кожуха, так что расстояние между лампой и внутренней поверхностью кожуха составляет 4 мм. Материал кварцевого кожуха - кварц марки Raesch RQ205 (Германия). Амальгамная лампа выполнена из беззозонового кварцевого стекла марки QSIL Ilmasil PN235 (Германия).
2
Кожух лампы имеет вход 5 в виде штуцера для ввода газа и выход 6, выполненный в виде специального капилляра 10 диаметром 0.1 мм, через который осуществляется выпуск газа Давление гелийсодержащей смеси на входе в источник УФ излучения составляет 0.05 атм. Лампа подключена к соответствующему ЭПРА (электронно-пускорегулирующему аппарату) кабелем 12 через гермовводы. ЭПРА Л`1×350-2222-18LM обеспечивает ток 2,0 А. Лампа наполнена газовой смесью 50% Ar + 50% Не при давлении 1 торр. В качестве источника паров ртути использована амальгама на основе индия. В пространство между кварцевым кожухом и лампой от баллона через редуктор 8 поступает заранее подготовленная газовая смесь азота и гелия в соотношении: 0.066% Не и 99.93% N.
В случае выполнения кожуха 4 лампы открытым (фиг. 2), гелийсодержащая смесь, через входной штуцер 5 поступает в кожух, и, омывая лампу, проходит через открытый незапаянный конец и выходит через капилляр 10.
В случае, когда кожух выполнен запаянным с одной стороны, для равномерного протекания газа и омывания лампы используется расположенная внутри кожуха и проходящая вдоль его стенки трубка 11, которая соединена с капилляром 10.
После промывки источника УФ излучения указанной газовой семью в течение 5 мин лампа зажигается. По мере разгорания лампы, ртуть из амальгамы поступает в дуговой разряд и устанавливается стабильный режим ее работы со следующими характеристиками: напряжение на лампе 194 В, потребляемая электрическая мощность 387 Вт, полный поток излучения на линии 254 нм - 131 Вт. Расход газовой смеси составил 0.5 л/час. Одного баллона 50 л с давлением смеси 15 МПа хватает примерно на 15000 час.
На фиг. 4 приведены результаты испытаний: зависимость электрической мощности и мощности УФ излучения источника от времени эксплуатации в течение 12000 час. Спад излучения соответствует стандартному для известных амальгамных ламп - около 20%, а постоянство потребляемой мощности свидетельствует о постоянстве состава газовой смеси и давления внутри УФ лампы.
Таким образом, за счет конструкции предложенного источника УФ излучения на основе газоразрядной лампы с гелийсодержащим наполнением, достигается стабильность электроизлучательных характеристик и повышение мощности УФ излучения не менее чем в 1.5-2 раза по сравнению с известными амальгамными лампами, не содержащими гелия, в то время как срок службы лампы не ниже, чем у стандартных ламп и составляет 12000-16000 час.