Способ управления газовым разрядом

 

Использование: в сильноточной электронике, плазмохимических технологиях 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 газового разряда как источника излучения и увеличению интенсивности и яркости излучения в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра. Практическая проверка изобретения показала широкие возможности данного способа, в особенности применительно к короткодуговым газовым разрядам (короткодуговым источникам излучения). 1 ил.

Изобретение относится к светотехнике, силовой электронике, плазмохимическим технологиям, источникам УФ- и ИК-излучения, в которых используется сильноточный газовый разряд.

Известен способ питания газоразрядной лампы, 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, Ne, при давлении р 0,1-10^-7 атм. Напряжение в импульсе составляет 50-5000 В, между импульсами 1-1000 В.

В известном способе увеличение яркости излучения и изменение спектрального состава излучения ГИС достигается 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 (в противном случае трудно рассчитывать получить мощность излучения ГИС, сравнимую с мощностью излучения при постоянном токе), либо к заметному рассеиванию электрической энергии в промежутках времени между импульсами. Первое приводит к существенному увеличению средней энергии электронов, изменению спектрального состава излучения, но и к увеличению доли приэлектродных потерь энергии, 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 срока ее службы. Более того возможно уменьшение световой отдачи по сравнению с разрядом постоянного тока.

Таким образом, недостатками прототипа являются низкий КПД источника излучения, недостаточно высокие яркость и интенсивность излучения плазмы в требуемой области спектра и малый срок службы из-за увеличения доли энергии, рассеиваемой на электродах и в приэлектродных областях разряда.

Целью изобретения является увеличение яркости, интенсивности и КПД газового разряда как источника излучения в УФ- и ИК-областях спектра.

Цель достигается тем, что по способу управления газовым разрядом (газоразрядной лампой), 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 больше времени деионизации плазмы в разрядном промежутке и меньше длительности импульса напряжения, умноженной на отношение времени диффузии атомов к времени дрейфа ионов материала катода в прикатодном пятне разряда и умноженной на отношение разности времени диффузии ионов материала катода и времени их дрейфа к времени диффузии ионов материала катода в прикатодном пятне разряда.

Сущность изобретения заключается в уменьшении числа атомов материала катода в плазме газового разряда, что приводит к увеличению температуры плазмы и росту интенсивности и яркости излучения атомов газа, наполняющего разрядный промежуток, по сравнению с излучением атомов материала катода. Поскольку рекомбинационно-тормозной спектр атомов материала катода (металлы W, Th, Cu, Ba и др. графит) расположен обычно в видимой области спектра, а излучение атомов газов, обычно наполняющих разрядный промежуток (инертные газы, азот, водород и др.), смещено в УФ-область, уменьшение концентрации атомов материала катода в прикатодном пятне разряда и увеличение температуры плазмы приводят к росту УФ-излучения атомов газа. Кроме того, наиболее мощное линейчатое излучение последних часто расположено в ИК-области спектра (например, ксенон, криптон, аргон, неон и др.), поэтому предлагаемый способ позволяет увеличить яркость и интенсивность излучения разряда и КПД источника излучения и в ИК-области спектра.

В сильноточном (дуговом) разряде появление первичных электронов в газоразрядном промежутке происходит за счет процессов термо- и автоэмиссии с поверхности катода, который нагрет до достаточно высокой температуры (≈2000-4000 К). При этом в плазму вместе с электронами попадают атомы материала катода, которые вблизи катода-разряда (в так называемом прикатодном пятне) могут играть большую, в ряде случаев определяющую роль. Присутствие в прикатодном пятне атомов и ионов материала катода уменьшает температуру плазмы (в силу сравнительно низких потенциалов ионизации атомов металлов), увеличивает концентрацию заряженных частиц и изменяет спектральный состав излучения плазмы в пользу видимой области спектра за счет рекомбинационно-тормозного излучения электронов и ионов материала катода.

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 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 могут быть записаны в виде div (D⁺ grad N⁺)- div(bN⁺)+Г-R; (1) div (D grad N)-Г+R ; 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⁺ есть слабые функции температуры плазмы Т, а также используя соотношение Эйнштейна b⁺= D⁺ , где е заряд электрона, после сложения двух уравнений (1) получают · (N⁺+ N) Δ(N⁺+ N)-div N (2) Интегрируют полученное уравнение по времени от t 0 до t τ_и + τ_п= τ_о, 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 + τ_о); N⁺(t) N⁺(t + τ_о) и то, что в импульсе N⁺ >> N, а в послесвечении, наоборот, N >> N⁺. Получают + τ_п - div =0 (3) где и средние по времени значения концентрации ионов и атомов материала катода.

Рассматривают для простоты одномерный случай. Кроме того, считают, что длительности импульса τ_и и послесвечения τ_п меньше характерных времен дрейфа и диффузии атомов и ионов материала катода в прикатодном пятне разряда. При этом можно положить ≃ . Решение уравнения (3) для концентрации ионов ⁺ выглядит следующим образом: = A exp - · ·Z1-exp- · ·(L-Z), (4) где константа А определяется граничными условиями на поверхности катода и пропорциональна потоку атомов материала катода (второе граничное условие нулевая концентрация ионов на поверхности анода учтено решением уравнения (4). Из полученного решения видно, что концентрация ионов экспоненциально спадает от катода вдоль оси разряда, причем показатель экспоненты зависит от параметров импульсно-периодического режима питания, т.е. от τ_и и τ_п. Считая, что поток атомов материала катода одинаков в импульсно-периодическом и стационарном разрядах (катод работает в оптимальном режиме), легко получить изменение концентрации ионов при переходе к импульсно-периодическому режиму: exp · 1 · , (5)
где N_o⁺ концентрация ионов материала катода в разряде постоянного тока, l характерный размер катодного пятна. Показатель экспоненты можно преобразовать, введя характерные времена диффузии τ_D⁺ и дрейфа τ_Eионов материала катода и диффузии атомов материала катода в прикатодном пятне разряда:
1 · 1 · . (6)
Из соотношений (5) и (6) легко получить, что если условия разряда таковы, что
τ_п< 1 τ_и (7) то концентрация ионов материала катода в импульсно-периодическом режиме меньше, чем в разряде постоянного тока.

Выбор длительности послесвечения в соответствии с выражением (7) уменьшает роль диффузионного разлета атомов материала катода в формировании распределения их плотности вблизи катода и, следовательно, уменьшает область их распределения в разрядном промежутке. Доля рекомбинационно-тормозного излучения электронов на ионах материала катода уменьшается и растет доля излучения атомов газа, наполняющего разрядный промежуток. Максимум рекомбинационно-тормозного излучения последних находится в УФ-области спектра, интенсивность линейчатого излучения при достаточно больших давлениях p ≳ 10² мм.рт.ст. максимальна в ИК-области, поэтому КПД источника излучения, яркость и интенсивность в УФ- и ИК-областях спектра существенно выше упомянутых характеристик в разряде постоянного тока. Время послесвечения τ_пследует брать больше времени деионизации плазмы, а длительность импульса выбирать меньше времени дрейфа ионов материала катода в прикатодном пятне (τ_Е характеризует процесс установления стационарного распределения ионов в катодном пятне) для того, чтобы за время импульса распределение ионов не успевало релаксировать к своему стационарному распределению, и для того, чтобы напряженность электрического поля в импульсе была выше напряженности в разряде постоянного тока.

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 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 больше времени рекомбинации ионов материала катода в прикатодном пятне разряда и меньше длительности импульса напряжения, умноженной на отношение времени диффузии атомов к времени дрейфа ионов материала катода в прикатодном пятне разряда и умноженной на отношение разности времени диффузии ионов материала катода и времени их дрейфа к времени диффузии 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 усматриваемого технического результата, можно сделать вывод о соответствии изобретения требованию "Промышленной применимости".

На чертеже представлены результаты экспериментального исследования 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 тория, поэтому эффект от применения предлагаемого способа должен быть максимальным. На чертеже приведены интенсивности излучения плазмы как функции продольной координаты вблизи λ 2500 и λ 5500 . Видно, что интенсивность видимого излучения меньше, а УФ-излучения существенно больше в импульсно-периодическом режиме питания. При этом максимум излучения с λ 5500 "прижимается" к катоду, что свидетельствует об уменьшении области присутствия тория в разрядном промежутке.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа по сравнению с прототипом определяется усилением роли атомов газа, наполняющего промежуток, в генерации УФ- и ИК-излучения, что позволяет увеличить яркость, интенсивность и КПД разряда как источника излучения в УФ- и ИК-областях 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, с 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 больше времени деионизации плазмы в разрядном промежутке и меньше длительности импульса напряжения, умноженной на отношение времени диффузии атомов ко времени дрейфа ионов материала катода в прикатодном пятне разряда и умноженной на отношение разности времени диффузии ионов материала катода и времени их дрейфа ко времени диффузии ионов материала катода в прикатодном пятне разряда.

РИСУНКИ

Рисунок 1