 |
 |
 |
 |
7* 10
Рис. 6.2. Баланс энергии столба разряда в зависимости от давления: о - плотности тока десятки миллиампер на квадратный сантиметр; б - плотности тока амперы иа квадратный сантиметр
делятся им на тепловые потери в объеме газа Ру и тепловые потери на стенках трубки Ртр. Потери от поглощения части излучения в материале стенок колбы не рассматриваются, т. е. принимается, что материал колбы прозрачен для всего излучения разряда.
Таким образом, для единицы длины столба
Ал£/= Ф1 рез + Ф] нр-Ь Pi F-1-Ртр
Т)рез+Т]нр+Т]у+Т]тр=1.
(6.18)
(6.19)
На рис. 6.2 схематически изображен типичный баланс энергии столба разряда по Б. Н. Клярфельду в зависимости от давления газа или пара. Шкала давлений служит только для приблизительной ориентировки, поскольку у различных газов и паров, особенно их смесей, соответствующие области баланса отличаются по давлению. По оси ординат отложены значения частей баланса, выраженные в долях от мощности столба т]. Из рис. 6.2 видно, что существуют различные области давлений и токов, благоприятные для выхода излучения разряда. Наибольший выход резонансного излучения имеет место в области малых плотностей тока и низких давлений - от нескольких десятых долей до нескольких сот паскалей. Наибольшие значения Проз могут достигать при этом 80-90% Наибольший выход нерезонансных излучений т]нр имеет место при больших плотностях Тока и ВД в контрагированном столбе. При больших плотностях тока существует также область НД, в которой выход нерезонансных излучений достигает сравнительно больших значений.
Полученным зависимостям для области НД может быть дано следующее качественное объяснение (подробнее см. в гл. 3 и 4).
Выделение энергии непосредственно на стенках трубки при низком давлении вызвано рекомбинацией электронов и ионов на стенках, передачей стенке кинетической энергии падающих электронов и ионов и передачей энергии метастабильных атомов.
При очень низких давлениях газа, порядка 10" Па (10~ мм рт. ст.), благодаря высокой электронной температуре относительно велико число ионизации по сравнению с возбуждением. Ввиду относительно малого числа соударений потери в объеме газа малы. Почти вся энергия выделяется в виде тепла на стенках трубки. Уменьшение ттр с ростом давления объ-нсняется главным образом затруднением диффузии заряженных частиц и метастабильных атомов к стенкам.
Основной причиной, вызывающей нагрев газа в объеме, являются упругие соударения электронов с атомами газа. При постоянной силе тока с ростом давления газа относительные тепловые потери в объеме быстро возрастают примерно пропорционально Ne. При больших давлениях газа и плотностях тока начинает играть заметную роль обратный процесс передачи энергии от- атомов к электронам (см. гл 3).
При НД рост тока вызывает увеличение цу, в контрагиро-ванном столбе увеличение тока приводит к уменьшению т. В разрядах ВД излучающего инертного газа или пара таких металлов, как Hg, Cd, Zn и др., основную роль в балансе энергии столба играют нерезонансное излучение и тепловые потери в объеме (см. гл. 4). Помимо этого, имеются процессы, которые могут отводить к стенкам до 30 % электрической мощности.
Исследования в 60-70-х годах показали, что у разрядов в парах щелочных металлов при ВД порядка 13 кПа (10 мм рт. ст.) выход резонансного излучения имеет второй неизвестный ранее максимум, в котором трез может достигать 0,4. На этой базе создан целый класс новых, высокоэффективных ламп (см. гл. 18).
Баланс мощности столба разрядов ВД. При использовании модели разрядного канала в уравнение баланса входит коэффициент, меньший единицы [см. (4.127)] и свидетельствующий о поглощении части излучения разряда в более холодной оболочке, окружающей канал разряда, и в материале колбы. Поэтому следует различать баланс мощности на границе канала
Ф1стг: = -Р1ст-Pit
и выходящего из лампы
Ф1вых=ТэфФ1ст2=Тэф (PlcT-Pit) -
Отсюда
11эн=Ф1вых/Р1ст=Тэф[1 -(Pit/Pict)].
Более подробное рассмотрение баланса см. в § 7.4 и в главах, относящихся к отдельным типам ламп.
6.3. УСЛОВИЯ СОЗДАНИЯ ЛАМП ВЫСОКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
При создании ламп высокой эффективности, предназначенных для освещения или облучения, необходимо обеспечить требуемый спектральный состав излучения, получение высоких световых отдач или эффективности излучения при разных мощностях ламп, получение ламп, обладающих высоким сроком службы, достаточно дешевых, удобных и надежных в эксплуатации. Для осветительных ламп важно также обеспечить их работу в нормальных электрических сетях без дополнительной трансформации напряжения.
Для получения высокого КПД необходимо использовать излучение столба, поскольку излучение приэлектродных частей значительно менее эффективно. В целях уменьшения приэлектродных потерь должны быть использованы дуговой разряд и активированные электроды, что дает возможность снизить околоэлектродные потери напряжения до 5-15 В. Благодаря малой величине С/а.к удается создавать лампы, рассчитанные на работу от сети нормального напряжения, в которых до 90% мощности выделяется в области столба.
Повышение эффективности излучения столба, оцениваемое как отношение величины реакции приемника к мощности столба, может быть достигнуто путем уменьшения доли тепловых потерь в столбе -qv и т]тр и путем перераспределения энергии в спектре излучения, вызывающего наибольшую реакцию приемника.
Перераспределение излучения столба по спектру может быть достигнуто подбором рода и состава наполняющих газов или паров, выбором условий разряда и преобразованием излучения разряда в более длинноволновое излучение при помощи люминофоров. Рассмотрим здесь условия для получения высокого КПД резонансных и нерезонансных излучений. Вопросы преобразования излучения в слое люминофора рассмотрены в гл. 8 и 10.
Резонансное излучение. Длины волн резонансных линий различных элементов приведены в табл. 2.1. Для получения резонансного излучения с высоким КПД наиболее эффективны область низких давлений излучающего газа или пара и малые плотности тока. Несколько менее эффективна область высоких плотностей тока при низких давлениях. Для разрядов в парах Щелочных металлов эффективна также и область высоких давлений (около 10 кПа, см. гл. 18).
Анализ соотношений § 3.5 приводит к заключению, что для получения высокого значения трез в области низких давлений и малых плотностей тока необходимо поддерживать давление Излучающего газа или пара на уровне, соответствующем максимальному выходу резонансного излучения, повышать электрон-
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 [ 71 ] 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239