Способ управления газовым разрядом

 

Использование: в сильноточной электронике, плазмохимической технологии и др. в которых используется сильноточный дуговой газовый разряд. Сущность изобретения: способ заключается в приложении к электродам газового разряда импульсов напряжения определенной длительности, амплитуды и частоты повторения, что приводит к увеличению коэффициента полезного действия разряда как источника излучения и увеличению интенсивности и яркости излучения в видимой области спектра. Практическая проверка изобретения показала широкие возможности данного способа, в особенности применительно к короткодуговым газовым разрядам (короткодуговым источникам излучения). 2 ил.

Изобретение относится к светотехнике, силовой электронике, плазмохимическим технологиям, в которых используется сильноточный газовый разряд.

Известен способ питания газоразрядной лампы, наиболее близкий к изобретению по решению технической задачи и принятый за прототип, заключающийся в том, что к электродам лампы прикладывают импульсное положительное относительно катода лампы напряжение, по величине превышающее напряжение горения при постоянном токе, а в промежутках времени между импульсами к электродам лампы прикладывают положительное относительно катода лампы напряжение, причем величину этого напряжения выбирают меньше напряжения в импульсе и больше напряжения погасания ГИС. Длительность импульсов при этом выбирают меньше, чем время диффузии ионов между электродами газоразрядной лампы и больше, чем время соответствующей диффузии электронов. Частота повторения импульсов лежит в диапазоне 60-20000 Гц, скважность 10-1000. В качестве ГИС используется стеклянная трубка длиной 1-300 см, наполненная одним из следующих газов: Ne, Ar, Kr, Xe, Hg, Na при давлении р 0,1-10^-7 атм. Напряжение в импульсе составляет 50-5000 В, между импульсами 1-1000 В.

В известном способе увеличение световой отдачи, яркости излучения и изменение спектрального состава излучения ГИС достигаются за счет увеличения температуры электронов в импульсе при превышении напряжения выше напряжения питания постоянным током. Однако длительность импульсов и их скважность выбираются вне связи с процессами, протекающими в плазме ГИС и на его электродах. Выбор скважности импульсов больше 10 приводит к необходимости использования напряжений в импульсе, заметно превышающих напряжение при постоянном токе, либо к заметному рассеиванию электрической энергии в промежутках времени между импульсами. Первое приводит к существенному изменению средней энергии электронов и изменению спектрального состава излучения ГИС, второе к снижению эффективности импульсного питания. Оба этих фактора не позволяют существенно увеличить яркость свечения ГИС в рабочей области спектра без существенного увеличения термической нагрузки на электроды газоразрядной лампы, т. е. без снижения ее срока службы. Более того возможно уменьшение световой отдачи по сравнению с разрядом постоянного тока.

Таким образом, недостатками прототипа являются низкая световая отдача ГИС, недостаточно высокие яркость и интенсивность излучения плазмы в видимой области спектра и малый срок службы из-за увеличения термической нагрузки на электроды ГИС.

Целью изобретения является увеличение доли энергии, рассеиваемой в плазме газового разряда, и, следовательно, увеличение КПД газового разряда как источника излучения, увеличение интенсивности и яркости излучения в видимой области спектра, увеличение геометрических размеров светящейся области разряда вблизи катода.

Цель достигается тем, что по способу питания газового разряда (газоразрядной лампы), заключающемуся в подаче на электроды лампы импульсного положительного относительно катода лампы напряжения, по величине превышающего напряжение горения при постоянном токе, и подаче на электроды лампы в промежутках времени между импульсами положительного относительно катода лампы напряжения от источника напряжения, причем величину напряжения выбирают меньше напряжения в импульсе и больше напряжения погасания газоразрядной лампы, в соответствии с изобретением длительность импульсов выбирают меньше времени дрейфа ионов материала катода в прикатодном пятне разряда, а промежуток времени между импульсами выбирают меньше времени диффузии атомов материала катода между электродами разряда и больше длительности импульса напряжения, умноженной на отношение времени диффузии атомов к времени дрейфа ионов материала катода в прикатодном пятне разряда.

Сущность изобретения заключается в увеличении числа атомов материала катода в плазме газового разряда, что приводит к увеличению интенсивности и яркости излучения в видимой области спектра, и в уменьшении проводимости плазмы (увеличении удельного сопротивления плазмы), что приводит к увеличению доли электрической мощности, рассеиваемой в плазме газового разряда.

В сильноточном (дуговом) газовом разряде появление первичных электронов в газоразрядном промежутке происходит за счет процессов термо- и автоэмиссии с поверхности катода, который нагрет до достаточно высоких температур-порядка (2-4) 10³ К. При этом в плазму вместе с электронами попадают атомы материала катода, которые вблизи катода разряда могут играть большую, в ряде случаев определяющую роль. Присутствие в прикатодном пятне атомов и ионов материала катода увеличивает частоты столкновений электронов с атомами и ионами и, таким образом, уменьшает проводимость плазмы, что приводит к увеличению напряженности электрического поля. Это, в свою очередь, повышает электрическую мощность, рассеиваемую в прикатодной области. Атомы материала катода (металлы, их сплавы, графит и др.) имеют, как правило, значительно более низкие потенциалы ионизации, чем атомы и молекулы веществ, наполняющих разрядный промежуток (инертные газы, водород, воздух, пары ртути, различные комбинации смесей этих веществ и др.). Присутствие легкоионизуемой добавки в прикатодной области разряда существенно увеличивает концентрацию заряженных частиц и снижает температуру плазмы. Результатом этого является преобладание ионов материала катода в прикатодном пятне разряда. Рост концентрации электронов и ионов приводит к увеличению интенсивности рекомбинационно-тормозного электрон-ионного взаимодействия. Сечения тормозного и рекомбинационного взаимодействия атомов и ионов материала катода с электронами отличаются от соответствующих характеристик атомов и ионов паров и газов, наполняющих межэлектродный промежуток, причем отличия таковы, что они приводят к смещению максимума рекомбинационно-тормозного излучения из ультрафиолетовой и синей в желто-красную область спектра. Поэтому присутствие атомов и ионов материала катода в плазме не только увеличивает интенсивность и яркость излучения, но и смещает спектр излучения в видимую область.

Геометрические размеры прикатодной области, в которой свойства плазмы определяются атомами и ионами материала катода, устанавливаются балансом следующих физических процессов. Атомы материала катода, попадая в разряд, ионизуются и после этого концентрация ионов материала катода в какой-либо точке определяется их диффузионным разлетом в сторону анода, возникающим за счет градиента концентрации, и дрейфом в электрическом поле в сторону катода. В установившемся режиме эти два потока уравновешивают друг друга.

Переход к импульсно-периодическому способу питания разряда позволяет воздействовать на концентрацию атомов и ионов материала катода в прикатодной области и на геометрические размеры области, в которой упомянутые атомы и ионы играют важную роль. В импульсе разрядного тока, когда напряженность электрического поля превышает напряженность в разряде постоянного тока и материал катода присутствует в разряде в основном в виде ионов, дрейфовое движение ионов материала катода в сторону катода превалирует над диффузионным разлетом в сторону анода. В промежутках времени между импульсами, когда ионы материала катода рекомбинируют и концентрация атомов превышает концентрацию ионов материала катода, диффузионный разлет атомов в сторону анода становится главным. Варьирование длительностями импульса и времени между импульсами дает возможность усиливать или ослаблять тот или иной поток атомов и ионов материала катода и, таким образом, изменять их концентрацию и область присутствия в плазме.

Возможность управления характеристиками газового разряда может быть представлена следующим образом. Уравнения баланса для концентраций атомов N и ионов N⁺ материала катода выглядят следующим образом div (D⁺ grad N⁺)- div(bN⁺)+Г-R div (D grad N)- Г+R (1) где D и D⁺ коэффициенты диффузии атомов и ионов материала катода; b⁺ подвижность ионов; напряженность электрического поля в плазме; Г и R число ионизаций и рекомбинаций, происходящих в единице объема в единицу времени. Полагая, что коэффициенты диффузии D и D⁺ близки друг к другу и есть слабые функции температуры плазмы Т, а также используя соотношение Эйнштейна B⁺ D⁺e/(kT), где е заряд электрона, после сложения двух уравнений (1) получают (N⁺+N) Δ(N⁺+N)-div N (2) Интегрируют уравнение (2) по времени от 0 до τ_o=τ_и+τ_п, где τ_o период импульсно-периодического разряда; τ_и длительность импульса; τ_п промежуток времени между импульсами (длительность послесвечения). При этом учитывают условие периодичности N⁺(t) + N(t) N⁺(t + τ_o) + (t + τ_o) и то, что в импульсе N⁺ >> N, а в послесвечении наоборот N >> N⁺. Получают окончательно N⁺dt + Ndt div Ndt=0 (3) Физический смысл каждого слагаемого в выражении (3) прозрачен. Первое слагаемое отвечает за диффузионный разлет, а третье за дрейф в электрическом поле ионов материала катода в импульсе тока, второе слагаемое отвечает за диффузионный разлет атомов материала катода в промежутке времени между импульсами. Каждое из этих слагаемых можно оценить с помощью соответствующего характерного времени. Так как в импульсе напряженность электрического поля больше напряженности в плазме разряда постоянного тока, характерное время дрейфа τ_E ионов в импульсе в прикатодном пятне разряда меньше диффузионного времени τ_D⁺ их разлета. Другими словами третье слагаемое в выражении (3) будет более существенным, чем первое. Оценивая обычным образом второе и третье слагаемые и полагая, что суммарная концентрация N +N⁺ слабо меняется в течение периода импульсно-периодического разряда, легко получить соотношение между τ_и и τ_пτ_о τ_и, обеспечивающее рост концентрации атомов и ионов материала катода в разряде: τ_п≥ τ_и· (4)
Таким образом, если выбирать длительность импульсов меньше времени τ_E (в этом случае характеристики разряда не успевают релаксировать к своим значениям в разряде постоянного тока), а длительность послесвечения τ_п в соответствии с выражением (4), то область распространения атомов и ионов материала катода и их концентрация в разряде увеличиваются. Увеличение τ_п больше времени диффузии атомов материала катода между катодом и анодом не имеет смысла, так как нулевое граничное условие на аноде для концентрации атомов материала катода приводит к тому, что при таких τ_п распределение концентрации указанных атомов перестает меняться.

Данный комплекс существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, не известен из существующего уровня техники. Доказательством этого может служить то, что аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам изобретения, в ходе исследований не обнаружен. Это обстоятельство позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "новизна".

Изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как выбор длительности импульса меньше времени дрейфа ионов материала катода в прикатодном пятне разряда, а промежуток времени между импульсами меньше времени диффузии атомов материала катода между электродами разряда и больше длительности импульса напряжения, умноженной на отношение времени диффузии атомов к времени дрейфа ионов материала катода в прикатодном пятне разряда, которые дают определенный эффект, ни в коей мере не могут быть представлены как комбинация, выявленная из известных решений и реализованная в виде отличительных признаков, направленная на достижение технического результата.

Учитывая это, можно сделать вывод о соответствии изобретения критерию "изобретательский уровень".

В связи с тем, что в описании и в формуле изобретения совокупность признаков предлагаемого способа управления газовым разрядом раскрыта достаточно подробно с помощью анализа физических процессов, определяющих свойства плазмы и ее излучение, и в связи с тем, что практическая реализация изобретения способна обеспечить достижение технического результата, можно сделать вывод о соответствии изобретения требованию "промышленной применимости".

На фиг. 1 и 2 представлены результаты экспериментальных исследований короткодугового ксенонового разряда высокого давления в двух режимах питания постоянным током и импульсно-периодическим током с параметрами модуляции, соответствующими формуле изобретения. Для иллюстрации возможности практической реализации способа был выбран именно короткодуговой разряд по той причине, что в нем наиболее сильно проявляется роль электродов, в частности атомов и ионов материала катода, поэтому эффект от применения предлагаемого способа должен быть достаточно большим. На фиг. 1 приведено продольное изменение интенсивности излучения газового разряда в видимой области спектра (вблизи длины волны 5500 ). Электрическая мощность, рассеиваемая в обоих случаях, была одинаковой. При этом, как видно из фиг. 1, в импульсно-периодическом режиме питания наблюдается увеличение интенсивности излучения и смещение максимума излучения в сторону анода. Так как это излучение связано главным образом с рекомбинацией ионов материала катода (в данном случае тория, поток атомов которого из катода при температурах катода Т_к 2500-3000 К на 3-4 порядка больше потока атомов вольфрама, можно заключить, что область их проникновения в плазму заметно увеличилась. Этот вывод подтверждается изменением геометрии разряда, представленной на фиг. 2. Сплошная кривая 1 соответствует границе светящегося канала разряда, а кривая 1' границе прикатодного пятна в режиме питания постоянным током, пунктирные кривые 2 и 2' соответствующие границы в режиме импульсно-периодического питания. Как видно, в импульсно-периодическом режиме прикатодное пятно существенно превышает размеры пятна в разряде постоянного тока.

Технический эффект предлагаемого способа по сравнению с прототипом определяется существенным увеличением концентрации атомов и ионов материала катода в рабочей области разряда, что позволяет увеличить напряженность электрического поля в плазме, рассеиваемую электрическую мощность, КПД разряда как источника излучения и интенсивность излучения в видимой области спектра.

Формула изобретения

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ГАЗОВЫМ РАЗРЯДОМ, заключающийся в том, что к электродам разряда прикладывают импульсное положительное относительно катода напряжение, по величине превышающее напряжение горения дуги постоянного тока, а длительностью импульсов большей, чем время нарастания продольного электрического поля, а в промежутках времени между импульсами прикладывают положительное относительно катода разряда напряжение от источника напряжения, причем величину напряжения выбирают меньше напряжения в импульсе и больше напряжения погасания разряда, отличающийся тем, что длительность импульсов выбирают меньше времени дрейфа ионов материала катода в прикатодном пятне разряда, а промежуток времени между импульсами выбирают меньше времени диффузии атомов материала катода между электродами разряда и больше длительности импульса напряжения, умноженной на отношение времени диффузии атомов к времени дрейфа ионов материала катода в прикатодном пятне разряда.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2