ИМПУЛЬСНАЯ УЛЬТРАФИОЛЕТОВАЯ ГАЗОРАЗРЯДНАЯ ЛАМПА
PULSED ULTRAVIOLET GAS-DISCHARGE LAMP

Область техники.
Изобретение относится к импульсным газоразрядным лампам, предназначенным для генерации высокоинтенсивных импульсов излучения, прежде всего, в ультрафиолетовой, особенно в бактерицидной, областях спектра. Данные источники импульсного УФ излучения сплошного спектра могут быть успешно использоваться для фотохимической очистки и обеззараживания помещений, потоков воздуха, питьевой и сточной вод от вредных органических соединений и устойчивых форм микроорганизмов.
Уровень техники: Импульсные ксеноновые лампы (Маршак И.С. Импульсные источники света, М.: Энергия, 1978), как источники ультрафиолетового (УФ) излучения, находят широкое применение для очистки и обеззараживания воздуха, воды и открытых поверхностей от устойчивых видов микроорганизмов и вредных органических соединений. Это обусловлено высокой интенсивностью (в десятки тысяч раз превышающие интенсивность бактерицидных ртутных ламп непрерывного горения) и сплошным спектром излучения, перекрывающим всю ультрафиолетовую область (от 200 до 400 нм), которые обеспечивают высокие эффективности процессов деструкции органической материи и универсальность действия (спектры поглощения органических соединений практически всегда частично или полностью совпадают со спектром излучения лампы).
Основными недостатками импульсных ламп являются относительно низкий выход УФ излучения в бактерицидной полосе по сравнению с ртутными лампами низкого давления (от 5% до 8% от электрической энергии) и ограниченный ресурс работы.
2
2
Спектр излучения импульсных ламп близок к излучению абсолютно черного тела. Оценка спектра черного тела показывает, что максимальный выход бактерицидного УФ излучения в общем спектре излучения (40-45%) будет наблюдаться при яркостных температурах плазмы около 11-12 кК. Уровень таких температур реализуется при удельных мощностях около 80 кВт/см. Типичный энергобаланс импульсной лампы можно представить следующим образом: из 100% электрической мощности (энергии), подведенной к лампе, ~70…80% излучается в полосе прозрачности кварца, 15…18% теряется в кварцевой стенке лампы (4…5% - неизлучательные потери и 10…12% за счет УФ поглощения кварца) и 2…5% мощности идет на нагрев электродов. Тогда удельная электрическая мощность на внутренней поверхности оболочки импульсной лампы должна составлять около 140 кВт/см. Реализация таких режимов приводит к интенсивному испарению кварца, непосредственно контактирующего с высоконагретой плотной плазмой, и, как следствие, образованию непрозрачной в УФ области пленки оксидов кремния (SiO) на внутренней поверхности кварцевой колбы и накоплению кислорода во внутреннем объеме лампы, что приводит к резкому сокращению срока службы лампы за счет снижения светоотдачи и повышения элекропрочности газового промежутка. Высокие мощности разряда сопровождаются увеличением ударных нагрузок на кварцевую оболочку лампы и ведут к ее быстрому разрушению.
2
Эксплуатация импульсных ламп с кварцевой оболочкой с плотностями тока более 4000 А/см в режимах с принудительным водяным охлаждением ограничивает ресурс до 1-2 млн. импульсов, что связано с образованием внутренних напряжений в кварцевой оболочки при высоких циклических градиентах температур.
Описание прототипа. Известна также импульсная газоразрядная лампа по полезной модели RU 103668 (принята за прототип), содержащая колбу из прозрачного в ультрафиолетовой области спектра материала, и электроды, герметично установленные на концах колбы, при этом колба заполнена плазмообразующей средой на основе ксенона. В качестве материала колбы использован бесцветный лейкосапфир, который с точки зрения химического состава представляет собой монокристаллическую окись алюминия с температурой кипения около 3500°С, что значительно выше температуры кипения кварца. Т.е. применение лейкосапфира в качестве материала колбы вместо плавленого кварца позволяет увеличить долговечность импульсной газоразрядной лампы, но лищь в той степени, которая обусловлена повышением термостойкости материала колбы.
Критика прототипа. Однако, известная газоразрядная импульсная лампа обладает следующими недостатками.
Во-первых, известная лампа требует сложной технологии при изготовлении. Так, для обеспечения герметичности соединения лейкосапфировой трубки с электродами приходится использовать напыление металла (никеля) на концы трубки с последующей пайкой.
Во-вторых, известная лампа обладает недостаточным ресурсом. Это обусловлено тем, что из-за наличия паяного соединения при изготовлении такой лампы невозможно использовать высокотемпературную вакуумную обработку (отжиг) электродов, в процессе которой из электродов удаляются неизбежные примеси, которые в дальнейшем «отравляют» рабочую газовую среду и приводят к сокращению реального ресурса работы.
2
Другим фактором, ограничивающим срок службы известной импульсной лампы, является эрозия разрядных электродов. Высокий уровень плотности тока (более 4000 А/см), требуемый для получения плотной плазмы с яркостными температурами более 9-10 кК, вызывает взрывную эрозию на поверхности катода и повышенный выход паров металла. Пары металла конденсируются на поверхности колбы и снижают светоотдачу лампы в процессе ее работы.
В-третьих, известная лампа может использоваться в ограниченных областях применения. Так, эта лампа не может использоваться для работы в воде и в случаях охлаждения потоком воздуха, поскольку лейкосапфир обладает анизотропией [5]. Его коэффициенты линейного расширения по осям отличаются почти в 2 раза, что при охлаждении водой или потоком воздуха приводит к возникновению внутренних напряжений и к последующему разрушению трубки.
Задача изобретения. Задачей настоящего изобретения является создание импульсной газоразрядной лампы с высоким выходом УФ излучения и с большим ресурсом работы.
Технический результат. Технический результат от использования предложенного решения заключается в повышении технологичности, увеличению ресурса работы и расширении области применения.
Сущность изобретения. Указанный технический результат достигается тем, что в импульсной газоразрядной лампе колба выполнена из плавленого кварца, каждый из электродов выполнен в виде грибовидного наконечника и основания, а в колбе размещена трубка из бесцветного лейкосапфира с зазором относительно колбы и относительно электродов таким образом, что наконечники электродов расположены внутри лейкосапфировой трубки.
Размеры колбы, лейкосапфировой трубки и оснований электродов могут быть выбраны из соотношений
тp
к
D<d
осн
к
D<d
тp
осн
d<D
тp
тp
где D, d - наружный и внутренний диаметры лейкосапфировой трубки, соответственно;
к
d - внутренний диаметр колбы;
осн
D - диаметр основания электрода.
Боковая поверхность цилиндрического основания каждого электрода может быть выполнена с насечкой или рифлениями.
Кварцевая колбы может быть выполнена с переменным диаметром по длине.
Лейкосапфировая трубка может быть выполнена в виде набора последовательно расположенных отдельных лейкосапфировых элементов малой длины.
Колба может быть выполнена изогнутой, например, U-образной формы.
Описание изобретения. Изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 изображена конструкция предлагаемой импульсной газоразрядной лампы с высоким выходом УФ излучения и с большим сроком службы, на фиг. 2 - часть лампы в увеличенном масштабе, на фиг. 3 - вариант выполнения предложенной импульсной газоразрядной лампы с увеличенным диаметром кварцевой колбы, на фиг. 4 - вариант выполнения предложенной импульсной газоразрядной лампы с колбой U-образной формы.
Предлагаемая импульсная газоразрядная лампа содержит колбу 1 из плавленого кварцевого стекла с двумя электродными узлами 2 на торцах. Каждый из электродных узлов 2, в свою очередь, содержит электрод в виде наконечника 3 грибовидной формы и основания 4. Электрический контакт 5 соединяется с электродом посредством металлической фольги 6, обернутой в виде цилиндра вокруг цилиндрического кварцевого вкладыша (на чертеже не показан). Весь электродный узел 2 при изготовлении лампы нагревается до температуры текучести кварцевого стекла, что обеспечивает надежную герметизацию лампы (технология т.н. «фольгового ввода»).
Внутри кварцевой колбы 1 размещена прозрачная трубка 7, выполненная из бесцветного лейкосапфира. Внутренний диаметр лейкосапфировой трубки 7 превышает диаметр наконечников 3 и меньше диаметра основания 4, наружный диаметр трубки 7 меньше внутреннего диаметра кварцевой колбы 1, а длина трубки 7 меньше расстояния между основаниями 4.
Тем самым обеспечиваются зазоры между трубкой 7 и колбой 1, а также между трубкой 7 электродами таким образом, что наконечники электродов расположены внутри лейкосапфировой трубки 7.
Боковая поверхность 8 цилиндрического основания 4 каждого электрода может быть выполнена с насечкой или рифлениями. Между боковой поверхностью основания 4 и внутренней стенкой колбы 1 имеется зазор.
В зазоре между колбой 1 и лейкосапфировой трубкой 7 могут устанавливаться распорки различного конструктивного выполнения, например, в виде перфорированных шайб из термостойкого материала.
Внутренний объем лампы заполняется плазмообразующей средой, в качестве которой может использоваться, например, спектрально чистый ксенон или смесь ксенона с другими газами. Начальное давление газа (смеси газов) - менее 700 мм рт. ст.
Кварцевая колба 1 может быть изготовлена из легированных сортов кварца, пропускающего ультрафиолетовое излучение определенного спектрального состава.
На внешней поверхности кварцевой колбы 1 может наноситься отражающее покрытие, направляющее излучение импульсного источника в заданном телесном угле и направлении.
Кварцевая колба 1 может быть выполнена с изменением диаметра по длине лампы, как это показано на фиг. 3.
Лейкосапфировая трубка 7 может быть выполнена в виде набора последовательно расположенных отдельных элементов малой длины. Такое выполнение позволяет набрать необходимую длину лейкосапфировой трубки из отдельных более дешевых коротких элементов. Кроме того, такое выполнение позволяет создать импульсную газоразрядную лампу (с лейкосапфировой трубкой внутри) сложной формы, например, U-образной, как это изображено на фиг. 4. Здесь в кварцевой колбе 9 изогнутой формы размещены лейкосапфировые элементы 10 небольшой длины, которые при соответствующей обработке торцов «укладываются» в изогнутую кварцевую колбу 9 и повторяют ее форму, образуя единый канал из лейкосапфира.
Работа предложенной импульсной лампы протекает следующим образом.
2
К электрическим контактам 5 лампы от внешнего блока питания подключается накопительный конденсатор и подводится высоковольтный импульс поджига. В результате электрического пробоя между наконечниками 3 электродов лампы в газовой среде, заполняющей полость лампы, внутри лейкосапфировой трубки 7 формируется электрический разряд с высокой плотностью разрядного тока (более 3,5 кА/см). Образуется плотная высокотемпературная, интенсивно излучающая плазма, содержащая, в том числе, и продукты эрозии электродов. В процессе продолжительной работы в режиме повторяющихся импульсов излучения лейкосапфировая трубка 7 разогревается и ее температура стабилизируется на уровне, определяемом средней удельной электрической мощностью и теплоотводом через внешнюю кварцевую оболочку (от 600 до 1200°С).
При каждом очередном разрядном импульсе в межэлектродном промежутке лампы резко увеличивается давление и под действием такого скачка давления газообразные продукты эрозии элементов конструкции лампы из горячей зоны через предусмотренные конструкцией лампы зазоры «выталкиваются» в заэлектродные области, где в начальный момент времени развития разряда газовая смесь находится под исходным давлением.
Т.о., газообразные продукты эрозии поступают в относительно холодные зоны, расположенные за электродами, где и конденсируются на элементах конструкции, которые не разогреваются выше 100-150°С. Наибольшая интенсивность конденсации газообразных продуктов эрозии имеет место в зазоре между основанием 4 электрода и кварцевой колбой 1, чему также в значительной степени способствует выполнение боковой поверхности 8 основания 4 рифленой или с насечкой.
Внешняя кварцевая колба 1 защищена от воздействия ударных нагрузок, возникающих во время сильноточного разряда, и от воздействия импульсных термонагрузок. Температура кварцевой трубки стабилизируется на определенном уровне, определяемом электрической мощностью лампы и площадью поверхности кварцевой колбы. Такие условия определяют долговечность колбы из плавленого кварца.
При изготовлении импульсных газоразрядных ламп предложенной конструкции применяется высокотемпературный вакуумный отжиг всех элементов лампы, что определяет чистоту внутреннего пространства и газовой среды и тем самым способствует обеспечению высоких ресурсных характеристик изделия.
За счет совокупного действия существенных признаков, приведенных в формуле изобретения, реальная долговечность предложенной импульсной газоразрядной лампы в высоконагруженных режимах с яркостной температурой в УФ области 10-12 кК увеличивается по сравнению с известными решениями в 10 и более раз.