RU2806877C2 - High and ultra high pressure short arc gas discharge lamp - Google Patents
High and ultra high pressure short arc gas discharge lamp Download PDFInfo
- Publication number
- RU2806877C2 RU2806877C2 RU2021134843A RU2021134843A RU2806877C2 RU 2806877 C2 RU2806877 C2 RU 2806877C2 RU 2021134843 A RU2021134843 A RU 2021134843A RU 2021134843 A RU2021134843 A RU 2021134843A RU 2806877 C2 RU2806877 C2 RU 2806877C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- anode
- discharge
- coordinate
- ellipsoidal
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Область техникиField of technology
Изобретение относится к электротехнике, а именно к газоразрядным лампам высокого и сверхвысокого давления. Изобретение охватывает короткодуговые ксеноновые лампы большой мощности, ртутные короткодуговые лампы высокого давления, а также все другие короткодуговые лампы с допированным легкоионизуемой добавкой катодом и анодом с диаметром, большим диаметра токового канала на поверхности анода.The invention relates to electrical engineering, namely to gas-discharge lamps of high and ultra-high pressure. The invention covers high-power short-arc xenon lamps, high-pressure mercury short-arc lamps, as well as all other short-arc lamps with a cathode doped with an easily ionizable additive and an anode with a diameter larger than the diameter of the current channel on the surface of the anode.
Уровень техникиState of the art
В настоящее время существует большое число конструкций электродов короткодуговых газоразрядных ламп, которые позволяют решить целый ряд технических проблем от уменьшения термической нагрузки на электрод до получения определенных характеристик электродов путем варьирования их состава и конструкции [1-3].Currently, there are a large number of designs of electrodes for short-arc gas-discharge lamps, which make it possible to solve a number of technical problems from reducing the thermal load on the electrode to obtaining certain characteristics of the electrodes by varying their composition and design [1-3].
Короткодуговые газоразрядные лампы высокого давления, как правило, имеют катоды, допированные легкоионизуемыми добавками. Чаще всего в качестве такой добавки используют торий. Легкоионизируемая добавка, как правило, уменьшает работу выхода электронов из катода и, испаряясь в объем разряда, может влиять на характеристики плазмы. В работах [4, 5] показано, что присутствие атомов тория уменьшает температуру плазмы вблизи катода без уменьшения интенсивности излучения в видимой области спектра за счет того, что излучение является рекомбинационно-тормозным с участием атомов и ионов тория. Фиг. 1 показывает продольное распределение характеристик плазмы короткодуговой ксеноновой лампы мощностью 250 Вт [4]. Приведены продольные распределения концентрации заряженных частиц и температуры плазмы, полученные из спектральных измерений, а также интенсивность излучения плазмы вблизи 550 нм. Схематично показана также геометрия разряда. Видно, что присутствие тория вблизи катода, действительно, уменьшает температуру плазмы Т и обеспечивает превышение концентрации ионов тория над концентрацией ионов ксенона в этой части разряда. При этом интенсивность излучения в видимой области имеет максимум вблизи катода и не коррелирует с температурой плазмы, что невозможно объяснить в случае однородного по составу разряда (присутствия в плазме только атомов ксенона).Short-arc high-pressure gas-discharge lamps, as a rule, have cathodes doped with easily ionizable additives. Most often, thorium is used as such an additive. An easily ionizable additive, as a rule, reduces the work function of electrons from the cathode and, evaporating into the discharge volume, can affect the characteristics of the plasma. It is shown in [4, 5] that the presence of thorium atoms reduces the plasma temperature near the cathode without reducing the radiation intensity in the visible region of the spectrum due to the fact that the radiation is recombination bremsstrahlung with the participation of thorium atoms and ions. Fig. 1 shows the longitudinal distribution of plasma characteristics of a short-arc xenon lamp with a power of 250 W [4]. The longitudinal distributions of the concentration of charged particles and plasma temperature obtained from spectral measurements, as well as the intensity of plasma radiation near 550 nm, are presented. The geometry of the discharge is also shown schematically. It can be seen that the presence of thorium near the cathode actually reduces the plasma temperature T and ensures that the concentration of thorium ions exceeds over the concentration of xenon ions in this part of the category. In this case, the radiation intensity in the visible region has a maximum near the cathode and does not correlate with the plasma temperature, which cannot be explained in the case of a discharge that is homogeneous in composition (the presence of only xenon atoms in the plasma).
Результаты работ [4, 5] показывают существенное влияние материала катода на свойства разрядной плазмы и, таким образом, на излучательные характеристики ксеноновых ламп высокого давления. Этот вывод можно обобщить на оба электрода: очевидно, что свойства анода, в частности его форма, будут также сильно влиять на характеристики плазмы дугового разряда.The results of [4, 5] show a significant influence of the cathode material on the properties of the discharge plasma and, thus, on the emissive characteristics of high-pressure xenon lamps. This conclusion can be generalized to both electrodes: it is obvious that the properties of the anode, in particular its shape, will also greatly influence the characteristics of the arc discharge plasma.
Известен патент RU 152355 U1, 27.05.2015 [6], в котором описывается короткодуговая ксеноновая лампа для устройства оптоэлектронного противодействия инфракрасным головкам самонаведения управляемых ракет с прямой трубчатой колбой из бесцветного лейкосапфира, на противоположных концах которой соосно с ней герметично установлены электродные узлы - анодный и катодный, содержащие неразъемно соединенные держатель соответствующего электрода, примыкающий на части боковой поверхности к внутренней поверхности колбы, и герметизирующий элемент, спай которого с колбой выполнен охватывающим, отличающаяся тем, что в держателе катода, вне его оси, выполнено продольное сквозное круглое в поперечном сечении отверстие, в котором вакуумно-плотно установлен электрод поджига, отделенный от стенок отверстия изоляционным элементом в виде прямой трубки из твердого с высокой термостойкостью диэлектрического материала. При этом анод короткодуговой ксеноновой лампы имеет кривизну, отличную от нулевой. Недостатком предложенной конструкции лампы является отсутствие возможности управления характеристиками газоразрядной лампы.There is a known patent RU 152355 U1, 05/27/2015 [6], which describes a short-arc xenon lamp for a device for optoelectronic counteraction to infrared homing heads of guided missiles with a straight tubular bulb made of colorless leucosapphire, at the opposite ends of which electrode units are hermetically installed coaxially with it - anode and cathode, containing a permanently connected holder of the corresponding electrode, adjacent on part of the side surface to the inner surface of the flask, and a sealing element, the junction of which with the flask is made female, characterized in that in the cathode holder, outside its axis, there is a longitudinal through hole, circular in cross section , in which an ignition electrode is vacuum-tightly installed, separated from the walls of the hole by an insulating element in the form of a straight tube made of a hard dielectric material with high temperature resistance. In this case, the anode of a short-arc xenon lamp has a curvature other than zero. The disadvantage of the proposed lamp design is the inability to control the characteristics of the gas-discharge lamp.
Известен патент US 6614186 В2 [7], описывающий конструкцию анода короткодуговой газоразрядной лампы, в частности, ксеноновой лампы большой мощности, в которой конструкция анода позволяет увеличить стабильность работы за счет соответствующей организации турбулентных газовых потоков, вызванных неоднородным нагревом газа. В данном патенте приведена конструкция анода, позволяющая обратить турбулентные газовые потоки в разрядной колбе и, таким образом, исключить турбулентные возмущения в дуговом разряде. Как показано на Фиг. 2, проблема решается с помощью выступа на поверхности анода, обращенной к катоду, которая, как заявляют авторы изобретения, препятствует возникновению потоков газа, создающих разрядную турбулентную нестабильность. Недостатком предложенной конструкции анода является отсутствие возможности управления характеристиками газоразрядной лампы.There is a known patent US 6614186 B2 [7], which describes the design of the anode of a short-arc gas-discharge lamp, in particular, a high-power xenon lamp, in which the anode design allows increasing the stability of operation due to the appropriate organization of turbulent gas flows caused by non-uniform heating of the gas. This patent describes an anode design that makes it possible to reverse turbulent gas flows in the discharge flask and, thus, eliminate turbulent disturbances in the arc discharge. As shown in FIG. 2, the problem is solved by using a protrusion on the anode surface facing the cathode, which, as claimed by the inventors, prevents the occurrence of gas flows that create discharge turbulent instability. The disadvantage of the proposed anode design is the inability to control the characteristics of the gas-discharge lamp.
Известен патент DE 102010024240 А1 [8], в котором описывается конструкция анода, имеющего соосную с анодом выемку в виде диска диаметром D и глубиной Н. Конструкция анода представлена на Фиг. 3. За счет увеличения эффективной поверхности анода, рассеивающей энергетическую нагрузку, уменьшается температура центральной части поверхности анода и распыление материала анода, что снижает скорость почернения внутренней поверхности колбы разрядной лампы. Это позволяет также увеличить срок службы лампы при требуемом уровне освещенности и стандартной яркости газоразрядной лампы. Недостатком предложенной конструкции анода является отсутствие возможности управления характеристиками газоразрядной лампы.There is a known patent DE 102010024240 A1 [8], which describes the design of an anode having a disk-shaped recess coaxial with the anode with a diameter D and depth H. The design of the anode is shown in Fig. 3. By increasing the effective surface of the anode, which dissipates the energy load, the temperature of the central part of the anode surface and the sputtering of the anode material are reduced, which reduces the rate of blackening of the inner surface of the discharge lamp bulb. This also allows for longer lamp life at the required light level and standard discharge lamp brightness. The disadvantage of the proposed anode design is the inability to control the characteristics of the gas-discharge lamp.
Известен патент JP 2011065756 А [9], наиболее близкий к заявляемому изобретению, в котором описана конструкция анода, имеющего сферическую выемку диаметром меньшим диаметра плоской части поверхности анода, обращенной к катоду. Конструкция анода приведена на Фиг. 4. Увеличение за счет выемки эффективной площади рабочей поверхности анода, которая принимает на себя основную энергетическую нагрузку, уменьшает распыление материала анода и, таким образом, уменьшает почернение внутренней поверхности разрядной колбы, что позволяет увеличить срок службы лампы при требуемом уровне освещенности и стандартной яркости газоразрядной лампы. Недостатком известного устройства, принятого в качестве прототипа, является невозможность эффективного управления характеристиками газоразрядной плазмы.There is a known patent JP 2011065756 A [9], which is closest to the claimed invention, which describes the design of an anode having a spherical recess with a diameter smaller than the diameter of the flat part of the anode surface facing the cathode. The anode design is shown in Fig. 4. An increase in the effective area of the working surface of the anode, which takes on the main energy load, due to the recess, reduces the sputtering of the anode material and, thus, reduces the blackening of the inner surface of the discharge bulb, which makes it possible to increase the service life of the lamp at the required level of illumination and standard brightness of the gas-discharge lamps. The disadvantage of the known device, adopted as a prototype, is the inability to effectively control the characteristics of the gas-discharge plasma.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Заявленная конструкция анода дуговой лампы свободна от указанных недостатков.The claimed design of the arc lamp anode is free from these disadvantages.
Техническим результатом заявляемой конструкции анода является возможность влияния на свойства плазмы дугового разряда и, как следствие, получение эффективной генерации излучения в видимой, ультрафиолетовой и/или инфракрасной области спектра.The technical result of the proposed anode design is the ability to influence the properties of the arc discharge plasma and, as a consequence, obtain effective generation of radiation in the visible, ultraviolet and/or infrared regions of the spectrum.
Указанный технический результат достигается тем, что в короткодуговой газоразрядной лампе высокого и сверхвысокого давления, включающей в себя анод и катод, которые расположены соосно напротив друг друга на заданном расстоянии, причем катод содержит легкоионизуемую добавку, а анод имеет диаметр поверхности, обращенной к катоду, больший или равный диаметру токового канала на поверхности анода, и имеет форму поверхности, обращенной к катоду, со средней кривизной, отличной от нуля, поверхность анода, обращенная к катоду, имеет эллипсоидальную форму, которая для преимущественного излучения в видимой области спектра выполнена в виде эллипсоидальной поверхности с координатой τ эллипсоидальных координат, лежащей в диапазоне - 0.8<τ<0 при координате катода τ0<0, а для преимущественного излучения в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра выполнена в виде эллипсоидальной поверхности с координатой τ эллипсоидальных координат, лежащей в диапазоне 0<τ<0.8 при координате катода τ0<0.This technical result is achieved by the fact that in a short-arc gas-discharge lamp of high and ultra-high pressure, which includes an anode and a cathode, which are located coaxially opposite each other at a given distance, and the cathode contains an easily ionized additive, and the anode has a larger diameter of the surface facing the cathode or equal to the diameter of the current channel on the surface of the anode, and has the shape of a surface facing the cathode, with an average curvature different from zero, the surface of the anode facing the cathode has an ellipsoidal shape, which for predominant radiation in the visible region of the spectrum is made in the form of an ellipsoidal surface with coordinate τ ellipsoidal coordinates lying in the range - 0.8<τ<0 with cathode coordinate τ 0 <0, and for predominant radiation in the ultraviolet and infrared regions of the spectrum is made in the form of an ellipsoidal surface with coordinate τ ellipsoidal coordinates lying in the range 0<τ <0.8 at cathode coordinate τ 0 <0.
Под кривизной (матем.) здесь понимается величина, характеризующая отклонение кривой (поверхности) от прямой (плоскости). Отклонение дуги MN кривой L от касательной MP в точке М можно охарактеризовать с помощью т.н. средней кривизны kcp этой дуги, равной отношению величины ее угла между касательными в точках М и N к длине Δs дуги MN [10]:Curvature (mathematically) here refers to a quantity that characterizes the deviation of a curve (surface) from a straight line (plane). The deviation of the arc MN of curve L from the tangent MP at point M can be characterized using the so-called. average curvature k cp of this arc, equal to the ratio of the magnitude of its angle between the tangents at points M and N to the length Δs of the arc MN [10]:
kcp=α/Δs.k cp =α/Δs.
Выбранное расположение катода в отрицательной полуплоскости эллипсоидальных координат не принципиально, поскольку данная система координат симметрична относительно плоскости τ=0.The chosen location of the cathode in the negative half-plane of ellipsoidal coordinates is not important, since this coordinate system is symmetrical with respect to the τ=0 plane.
Заявленная конструкция анода и ее влияние на характеристики плазмы поясняются следующим.The claimed anode design and its effect on the plasma characteristics are explained as follows.
Характеристики плазмы короткодугового разряда зависят, прежде всего, от пространственного распределения напряженности электрического поля в разрядном промежутке. Электрическое поле нагревает электроны, которые ионизуют и возбуждают атомы газа, а также передают в столкновениях свою энергию атомам и ионам газа, что для условий дугового разряда высокого давления приводит к возникновению локально термодинамически равновесной плазмы [1, 4, 5]. Распределение напряженности электрического поля, очевидно, зависит от формы поверхностей катода и анода. Поверхности электродов являются эквипотенциальными с потенциалами, определяемыми напряжением, необходимым для существования газового разряда. Поэтому в случае, если форма поверхности электродов такова, что эффективное расстояние между электродами меньше (анод имеет вогнутую форму), напряженность поля уменьшается и его радиальное распределение становится более пологим, что приведет к увеличению радиуса токового канала. Следовательно, температура плазмы также должна уменьшиться. В случае выпуклой формы анода, эффект будет противоположным. Фиг. 5 качественно иллюстрирует описанный эффект. Переход от вогнутой к выпуклой форме увеличивает длину силовых линий электрического поля, что приводит к уменьшению напряженности электрического поля на периферии разряда, что уменьшает дрейфовую скорость электронов, поэтому для сохранения величины протекающего тока требуется увеличить напряженность поля на оси разряда. Это приведет к росту температуры плазмы в приосевой области.The characteristics of a short-arc discharge plasma depend, first of all, on the spatial distribution of the electric field strength in the discharge gap. The electric field heats electrons, which ionize and excite gas atoms, and also transfer their energy to gas atoms and ions in collisions, which, under high-pressure arc discharge conditions, leads to the emergence of a locally thermodynamically equilibrium plasma [1, 4, 5]. The electric field intensity distribution obviously depends on the shape of the cathode and anode surfaces. The surfaces of the electrodes are equipotential with potentials determined by the voltage necessary for the existence of a gas discharge. Therefore, if the shape of the surface of the electrodes is such that the effective distance between the electrodes is smaller (the anode has a concave shape), the field strength decreases and its radial distribution becomes flatter, which will lead to an increase in the radius of the current channel. Consequently, the plasma temperature should also decrease. In the case of a convex anode, the effect will be the opposite. Fig. Figure 5 qualitatively illustrates the described effect. The transition from a concave to a convex shape increases the length of the electric field lines, which leads to a decrease in the electric field strength at the periphery of the discharge, which reduces the drift velocity of electrons, therefore, to maintain the magnitude of the flowing current, it is necessary to increase the field strength at the discharge axis. This will lead to an increase in the plasma temperature in the paraxial region.
Короткодуговые лампы высокого давления имеют, как правило, электроды, допированные легкоионизуемыми элементами. Чаще всего этой добавкой является торий (добавка составляет 2-5% в составе вольфрамового катода [1, 2]), атомы которого имеют энергию ионизации примерно вдвое меньшую (6.1 эВ [11]), чем ксенон (12.1 эВ), при этом торий имеет меньшую работу выхода электронов (3.35-3.47 эВ) по сравнению с вольфрамом (4.54 эВ), а оксид тория ThO2, которым допируют вольфрамовый катод ксеноновых ламп, еще меньшую - 2.54-2.67 эВ [12]. Таким образом, допирование катода обеспечивает снижение работы выхода материала катода (увеличивает эмиссию электронов из катода) и уменьшает катодное падение. В дополнение к вышеупомянутому следует отметить, что ожидаемым эффектом от такого допирования является возможная эмиссия атомов легкоионизуемой добавки (тория) в разрядный промежуток: на поверхности катода образуются «лужицы» из допированного элемента (тория), атомы которых испаряются в разрядный объем. Данный эффект впервые был обнаружен и описан в работах [4, 5]. Было показано определяющее влияние атомов легкоионизуемой добавки на электрокинетические и оптические свойства прикатодной плазмы. Присутствие атомов тория в прикатодной области снижало температуру плазмы, что приводило к превалированию ионов тория над ионами ксенона в данной области и генерации рекомбинационно-тормозного излучения преимущественно с участием ионов и атомов тория. В этом отношении можно отметить, что атомы легкоионизуемой добавки (тория) являются определяющими в генерации излучения прикатодного пятна короткодугового ксенонового разряда. Последнее, очевидно, приводит также к уменьшению интенсивности оптического излучения, связанного с атомами ксенона, - инфракрасного излучения в спектральной области 800-1100 нм и ультрафиолетового рекомбинационно-тормозного излучения, которое для чисто ксеноновой плазмы имеет более высокую температуру и, следовательно, большую интенсивность в ультрафиолетовом диапазоне.High-pressure short-arc lamps, as a rule, have electrodes doped with easily ionizable elements. Most often, this additive is thorium (the additive is 2-5% in the composition of the tungsten cathode [1, 2]), the atoms of which have an ionization energy approximately half as low (6.1 eV [11]) as xenon (12.1 eV), while thorium has a lower electron work function (3.35-3.47 eV) compared to tungsten (4.54 eV), and thorium oxide ThO 2 , with which the tungsten cathode of xenon lamps is doped, is even lower - 2.54-2.67 eV [12]. Thus, doping the cathode reduces the work function of the cathode material (increases the emission of electrons from the cathode) and reduces the cathode drop. In addition to the above, it should be noted that the expected effect of such doping is the possible emission of atoms of an easily ionizable additive (thorium) into the discharge gap: “puddles” of the doped element (thorium) are formed on the cathode surface, the atoms of which evaporate into the discharge volume. This effect was first discovered and described in [4, 5]. The decisive influence of atoms of an easily ionizable additive on the electrokinetic and optical properties of near-cathode plasma was shown. The presence of thorium atoms in the near-cathode region reduced the plasma temperature, which led to the predominance of thorium ions over xenon ions in this region and the generation of recombination bremsstrahlung radiation predominantly with the participation of thorium ions and atoms. In this regard, it can be noted that the atoms of an easily ionizable additive (thorium) are decisive in the generation of radiation from the near-cathode spot of a short-arc xenon discharge. The latter, obviously, also leads to a decrease in the intensity of optical radiation associated with xenon atoms - infrared radiation in the spectral region of 800-1100 nm and ultraviolet recombination bremsstrahlung radiation, which for pure xenon plasma has a higher temperature and, therefore, greater intensity in ultraviolet range.
Как уже отмечалось выше, форма анода может влиять на пространственные распределения разрядных характеристик. В работе [13] была построена модель короткодугового ксенонового разряда высокого (сверхвысокого) давления. Для описания пространственных распределений характеристик плазмы использовались эллипсоидальные координаты, которые являются, с нашей точки зрения, наиболее оптимальными для описания геометрической структуры короткодугового разряда. Данная модель позволила получить как характеристики на оси разряда, так и пространственные распределения характеристик плазмы. С помощью данной модели были рассчитаны характеристики плазмы короткодугового разряда в ксеноне при различной форме поверхности анода. В результате была получена сильная зависимость плазменных характеристик от формы поверхности анода, обращенной к катоду.As noted above, the shape of the anode can affect the spatial distribution of discharge characteristics. In [13], a model of a short-arc xenon discharge at high (ultra-high) pressure was constructed. To describe the spatial distributions of plasma characteristics, ellipsoidal coordinates were used, which, from our point of view, are the most optimal for describing the geometric structure of a short-arc discharge. This model made it possible to obtain both characteristics on the discharge axis and spatial distributions of plasma characteristics. Using this model, the characteristics of the plasma of a short-arc discharge in xenon were calculated for different shapes of the anode surface. As a result, a strong dependence of the plasma characteristics on the shape of the anode surface facing the cathode was obtained.
Фиг. 6 иллюстрирует геометрию короткодугового разряда в эллипсоидальных координатах (вытянутый эллипсоид вращения [14]). Катод расположен слева и выделен жирной линией. Для рассмотренного в [13] случая координата катода в эллипсоидальных координатах равна τ0=-0.924, координата анода τL=0 (плоский анод). Он также выделен жирной линией. Пунктирной линией показан канал тока, соответствующий токовому пятну на катоде диаметром 0.1 см. Форма поверхности анода легко задается выбором координаты анода τL. В соответствии с заявленным изобретением предлагается выбирать координату анода в диапазоне -0.8<τL<0, 0<τL<0.8 (координата τL=0 соответствует плоскому аноду).Fig. Figure 6 illustrates the geometry of a short-arc discharge in ellipsoidal coordinates (prolate ellipsoid of revolution [14]). The cathode is located on the left and is highlighted with a thick line. For the case considered in [13], the cathode coordinate in ellipsoidal coordinates is equal to τ 0 = -0.924, the anode coordinate τ L = 0 (flat anode). It is also highlighted with a bold line. The dotted line shows the current channel corresponding to the current spot on the cathode with a diameter of 0.1 cm. The shape of the anode surface is easily determined by choosing the anode coordinate τ L . In accordance with the claimed invention, it is proposed to select the anode coordinate in the range -0.8<τ L <0, 0<τ L <0.8 (coordinate τ L =0 corresponds to a flat anode).
Модель разряда позволяет рассчитать электрокинетические характеристики плазмы, в частности, напряженность электрического поля, температуру плазмы, концентрации и состав ионов, концентрацию атомов тория, эмитированных катодом в разрядный промежуток, радиальные распределения указанных характеристик. На следующей Фиг. 7 представлены характеристики плазмы вдоль оси разряда: температуры плазмы Т, напряженности электрического поля Е, концентраций атомов и ионов тория NTh и , ионов ксенона и плотности электронов ne [13]. Расчет проведен для условий, близких к условиям работы ксеноновой лампы сверхвысокого давления мощность 250 Вт: давление ксенона в холодной лампе 20 атм., разрядный ток 14 А, расстояние между катодом и анодом 0.3 см, внешний диаметр лампы ~2.5 см.The discharge model makes it possible to calculate the electrokinetic characteristics of the plasma, in particular, the electric field strength, plasma temperature, concentration and composition of ions, the concentration of thorium atoms emitted by the cathode into the discharge gap, and the radial distributions of these characteristics. In the next Fig. Figure 7 shows the characteristics of the plasma along the discharge axis: plasma temperature T, electric field strength E, concentrations of thorium atoms and ions N Th and , xenon ions and electron density ne [13]. The calculation was carried out for conditions close to the operating conditions of an ultra-high pressure xenon lamp with a power of 250 W: xenon pressure in a cold lamp is 20 atm, discharge current is 14 A, the distance between the cathode and anode is 0.3 cm, the outer diameter of the lamp is ~2.5 cm.
Как видно из Фиг. 7, присутствие атомов тория вблизи катода заметно уменьшает температуру плазмы. Это приводит к кардинальному изменению состава ионов вблизи катода: концентрация ионов тория превышает концентрацию ионов ксенона, которая в этой области близка к нулю. Излучение плазмы короткодугового ксенонового разряда представляет собой рекомбинационно-тормозное излучение и излучение спектральных линий ксенона, основной вклад в которое дают инфракрасные линии в области 800-1100 нм. Снижение температуры плазмы и практически нулевая концентрация ионов ксенона вблизи катода (это означает, что и возбуждение атомов ксенона мало в этой области) приводит к тому, что в спектре излучения превалирует рекомбинационно-тормозное излучение, создаваемое атомами и ионами тория, имеющее сплошной спектр с эффективной температурой (6500-7200) К (см. Фиг. 1 и Фиг. 7). Область вблизи катода создает основной поток излучения разряда, поэтому очевидно, что и излучение ксеноновой лампы будет представлять собой в основном сплошной спектр с указанной выше температурой. Данное излучение близко к спектру излучения солнца и поэтому используется в освещении при необходимости обеспечить наилучшую цветопередачу. Интенсивность ИК спектральных линий атомов ксенона и УФ-излучения будет относительно невелика.As can be seen from FIG. 7, the presence of thorium atoms near the cathode noticeably reduces the plasma temperature. This leads to a radical change in the composition of ions near the cathode: the concentration of thorium ions exceeds the concentration of xenon ions, which is close to zero in this region. The plasma radiation of a short-arc xenon discharge is recombination-bremsstrahlung radiation and radiation of xenon spectral lines, the main contribution to which is made by infrared lines in the region of 800-1100 nm. A decrease in plasma temperature and the almost zero concentration of xenon ions near the cathode (this means that the excitation of xenon atoms is small in this region) leads to the fact that the emission spectrum is dominated by recombination bremsstrahlung radiation created by thorium atoms and ions, which has a continuous spectrum with an effective temperature (6500-7200) K (see Fig. 1 and Fig. 7). The region near the cathode creates the main radiation flux of the discharge, so it is obvious that the radiation of the xenon lamp will be mainly a continuous spectrum with the temperature indicated above. This radiation is close to the spectrum of solar radiation and is therefore used in lighting when it is necessary to ensure the best color rendition. The intensity of the IR spectral lines of xenon atoms and UV radiation will be relatively low.
Однако, существуют технические задачи, в которых требуется высокая интенсивность УФ-излучения (процессы травления, литография, обеззараживание поверхностей и т.п.) или сильное ИК-излучение (высокотемпературное воздействие на вещество, ИК прожекторы и др.). Построенная модель [13] позволяет путем выбора соответствующей формы поверхности анода изменять спектр излучения плазмы и, таким образом, расширять области применения и эффективность использования короткодугового разряда высокого давления. Существует и необходимость получения оптического излучения с температурой ниже 6000-6500 К. Такое излучение может использоваться в специальных целях: использование «близких» к планковским излучателей с температурой до 4000 К и ниже, создание комфортного «теплого» излучения, оформление арт-объектов и др.However, there are technical tasks that require high intensity UV radiation (etching processes, lithography, surface disinfection, etc.) or strong IR radiation (high-temperature exposure to matter, IR spotlights, etc.). The constructed model [13] allows, by selecting the appropriate shape of the anode surface, to change the plasma radiation spectrum and, thus, expand the scope of application and efficiency of using a high-pressure short-arc discharge. There is also a need to obtain optical radiation with a temperature below 6000-6500 K. Such radiation can be used for special purposes: the use of “close” to Planck emitters with temperatures up to 4000 K and below, the creation of comfortable “warm” radiation, the design of art objects, etc. .
Заявленный результат подтверждается теоретическим анализом, проведенным в Санкт-Петербургском государственном университете.The stated result is confirmed by theoretical analysis conducted at St. Petersburg State University.
На Фиг. 8 представлена температура плазмы при различной форме поверхности анода. Форма анода выбирается соответствующей координате τL в эллипсоидальных координатах: -0.4, -0.2, 0, +0.2, +0.4 (см. Фиг. 6 с изображением координат в эллипсоидальных координатах). Расстояние между катодом и анодом во всех случаях выбирается равным 0.3 см. Из рисунка видно, что форма поверхности анода кардинальным образом влияет на температуру плазмы в разрядном промежутке. В случае вогнутой поверхности анода (τL=-0.4, -0.2) температура плазмы в основном объеме разряда составляет (6000-7500) К, в то время как для выпуклого анода (τL=+0.2, +0.4) температура достигает (8500-9000) К. Случай τL=0 описывает плоский анод.In FIG. Figure 8 shows the plasma temperature for different shapes of the anode surface. The shape of the anode is selected corresponding to the coordinate τ L in ellipsoidal coordinates: -0.4, -0.2, 0, +0.2, +0.4 (see Fig. 6 for a depiction of coordinates in ellipsoidal coordinates). The distance between the cathode and anode in all cases is chosen equal to 0.3 cm. It can be seen from the figure that the shape of the anode surface radically affects the plasma temperature in the discharge gap. In the case of a concave anode surface (τ L = -0.4, -0.2), the plasma temperature in the main volume of the discharge is (6000-7500) K, while for a convex anode (τ L = +0.2, +0.4) the temperature reaches (8500 -9000) K. The case τ L =0 describes a flat anode.
Следующие Фиг. 9а (τL=0), Фиг. 96 (τL=+0.4) и Фиг. 9в (τL=-0.4) показывают распределение концентраций атомов тория NTh, ионов тория и ионов ксенона при различной форме анода - от вогнутой (τL=-0.4) до выпуклой (τL=+0.4). В случае плоского анода (Фиг. 9а) концентрация ионов ксенона у катода практически равна нулю и растет далее с приближением к аноду. Концентрация ионов тория вблизи катода существенно превосходит таковую для ионов ксенона, что приводит к заметному спаду температуры плазмы в этой области (см. Фиг. 8).The following Figs. 9a (τ L =0), Fig. 96 (τ L =+0.4) and Fig. 9c (τ L = -0.4) show the distribution of concentrations of thorium atoms N Th , thorium ions and xenon ions with different anode shapes - from concave (τ L =-0.4) to convex (τ L =+0.4). In the case of a flat anode (Fig. 9a), the concentration of xenon ions at the cathode is practically zero and further increases as it approaches the anode. The concentration of thorium ions near the cathode is significantly higher than that for xenon ions, which leads to a noticeable drop in the plasma temperature in this region (see Fig. 8).
При выпуклом аноде (Фиг. 9б) и температуре плазмы до 9000 К заметно растет концентрация ионов ксенона в максимуме (примерно в два раза по сравнению с плоским анодом), и сам максимум приближается к катоду. Распределения атомов и ионов тория прижимаются к катоду, что приводит к существенному уменьшению интенсивности связанного с атомами и ионами тория оптического излучения, испускаемого из катодного пятна. Для вогнутого анода (Фиг. 9в) картина обратная: температура плазмы практически во всем разрядном промежутке не превышает 7400 К, и концентрация ионов тория почти во всем промежутке превышает концентрацию ионов ксенона.With a convex anode (Fig. 9b) and a plasma temperature of up to 9000 K, the concentration of xenon ions at the maximum increases noticeably (about two times compared to a flat anode), and the maximum itself approaches the cathode. The distributions of thorium atoms and ions are pressed toward the cathode, which leads to a significant decrease in the intensity of optical radiation associated with thorium atoms and ions emitted from the cathode spot. For a concave anode (Fig. 9c), the picture is the opposite: the plasma temperature in almost the entire discharge gap does not exceed 7400 K, and the concentration of thorium ions in almost the entire gap exceeds the concentration of xenon ions.
Результаты, приведенные на Фиг. 8 и 9, подтверждают сильное влияние формы анода на характеристики плазмы и на испускаемое плазмой оптическое излучение.The results shown in Fig. 8 and 9 confirm the strong influence of the anode shape on the characteristics of the plasma and on the optical radiation emitted by the plasma.
Ксеноновые источники света высокого и сверхвысокого давления имеют торированные катоды. Торий является радиоактивным элементом. Поэтому в последнее время ведутся работы по замещению тория другими элементами, в частности, редкоземельными, которые могут обеспечить эффект, сходный с эффектом от использования тория. В частности, исследуются соединения La203-W, ZrO2-W, СеО2-W, Y203-W [15], Ce-W, La-W, Y-W [16]. Эти добавки имеют температуру плавления ниже температуры плавления для вольфрама и энергии возбуждения и ионизации эмитированных в плазму атомов заметно меньшие таковых для атомов ксенона, поэтому заявляемое изобретение будет применимо и к короткодуговым разрядам с электродами, допированными другими элементами.High and ultra-high pressure xenon light sources have thoriated cathodes. Thorium is a radioactive element. Therefore, recently, work has been carried out to replace thorium with other elements, in particular rare earth elements, which can provide an effect similar to the effect of using thorium. In particular, the compounds La 2 0 3 -W, ZrO 2 -W, CeO 2 -W, Y 2 0 3 -W [15], Ce-W, La-W, YW [16] are being studied. These additives have a melting point lower than the melting point for tungsten and the excitation and ionization energies of atoms emitted into the plasma are noticeably lower than those for xenon atoms, therefore the claimed invention will also be applicable to short-arc discharges with electrodes doped with other elements.
Технико-экономическая эффективность заявленного изобретения состоит в повышении эффективности генерации оптического излучения в выбранной области спектра. Достижение такого результата позволяет использовать заявленное изобретение для создания новых и эффективных экологически безопасных источников оптического излучения (источников света), расширяет возможности использования заявленного изобретения в различных технологических процессах, а также найдет широкое применение в промышленном и бытовом освещении.The technical and economic efficiency of the claimed invention consists in increasing the efficiency of generation of optical radiation in the selected region of the spectrum. Achieving this result allows the claimed invention to be used to create new and effective environmentally friendly sources of optical radiation (light sources), expands the possibilities of using the claimed invention in various technological processes, and will also find wide application in industrial and household lighting.
Список использованных источников информацииList of information sources used
1. Г.Н. Рохлин. Разрядные источники света - М., Энергоатомиздат, 1991, 720 с.1. G.N. Rokhlin. Discharge light sources - M., Energoatomizdat, 1991, 720 p.
2. Д. Уэймаус. Газоразрядные лампы - М., Энергия, 1977, 344 с.2. D. Waymouth. Gas-discharge lamps - M., Energy, 1977, 344 p.
3. Лампы газоразрядные. Каталог 09.5.01-80. М.: Информмэлектро. 1980; Каталог 09.50.07-75. М: Информэлектро. 19753. Gas discharge lamps. Catalog 09.5.01-80. M.: Informmelektro. 1980; Catalog 09.50.07-75. M: Informelektro. 1975
4. N.A. Timofeev, V.S. Sukhomlinov, G. Zissis, I. Yu. Mukharaeva, & Dupuis P. IEEE Trans. on Plasma Sci. 47, No 7, (2019) PP. 3266-32704. N.A. Timofeev, V.S. Sukhomlinov, G. Zissis, I. Yu. Mukharaeva, & Dupuis P. IEEE Trans. on Plasma Sci. 47, No 7, (2019) PP. 3266-3270
5. N. Timofeev, V. Sukhomlinov, G. Zissis, I. Mukharaeva, D. Mikhailov, P. Dupuis. Technical Physics, 64, No 10, (2019) PP. 1473-1479; DOI: 10.1134/S10637842191002075. N. Timofeev, V. Sukhomlinov, G. Zissis, I. Mukharaeva, D. Mikhailov, P. Dupuis. Technical Physics, 64, No 10, (2019) PP. 1473-1479; DOI: 10.1134/S1063784219100207
6. Патент RU 152355 U1, МПК H01J 61/02 (2006.01)6. Patent RU 152355 U1, IPC H01J 61/02 (2006.01)
7. Патент US 6614186 B2, МПК H01J-061/073*, |H01J-061/12,| H01J-061/867. Patent US 6614186 B2, IPC H01J-061/073*, |H01J-061/12,| H01J-061/86
8. Патент DE 102010024240 А1, МПК HOU-061/073/2*, |H01J-061/828. Patent DE 102010024240 A1, IPC HOU-061/073/2*, |H01J-061/82
9. Патент JP 2011065756 А, МПК H01J-061/073* (прототип)9. Patent JP 2011065756 A, IPC H01J-061/073* (prototype)
10. А.В. Погорелов. Дифференциальная геометрия (6-е издание). М.: Наука, 197410. A.V. Pogorelov. Differential Geometry (6th edition). M.: Nauka, 1974
11. D. Stull, in American Institute of Physics Handbook, Third Edition, D.E. Gray, Ed., McGraw Hill, New York, 197211. D. Stull, in American Institute of Physics Handbook, Third Edition, D.E. Gray, Ed., McGraw Hill, New York, 1972
12. Landolt-Borstein's Zahlenwerte und Funktionen aus Phsik, Chemie, Astrunumie, Geophysik, Thechnik, 6-е издание., Берлин, т. I, ч. 4, 1955; т. II, ч. 6, разд. 1, 195912. Landolt-Borstein's Zahlenwerte und Funktionen aus Phsik, Chemie, Astrunumie, Geophysik, Thechnik, 6th edition., Berlin, vol. I, part 4, 1955; vol. II, part 6, section. 1, 1959
13. N.A. Timofeev et al. "Modeling of high pressure short-arc xenon discharge with a thoriated cathode," IEEE Trans, on Plasma Sci., 2021, August, Doi: 10.1109/TPS.2021.309381613. N.A. Timofeev et al. "Modeling of high pressure short-arc xenon discharge with a thoriated cathode," IEEE Trans, on Plasma Sci., 2021, August, Doi: 10.1109/TPS.2021.3093816
14. Г. Корн и Т. Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Москва: Наука, 1973, 832 с.14. G. Korn and T. Korn. Handbook of mathematics for scientists and engineers. Moscow: Nauka, 1973, 832 p.
15. J. Haidar and A.J.D. Farmer, "Surface temperature measurements for tungsten-based cathodes of high-current free-burning arcs," J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 28, pp. 2089-2094, 199515. J. Haidar and A.J.D. Farmer, "Surface temperature measurements for tungsten-based cathodes of high-current free-burning arcs," J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 28, pp. 2089-2094, 1995
16. Zhongzhu Gu, Xiaoli Xi, Jiancan Yang, and Jinjin Xu, "Properties of RE-W cathode and its application in electrostatic precipitation for high temperature gas clean-up," Fuel, vol. 95, pp. 648-654, May 2012. Available: Jan. 06, 2012, https://doi.org/10.1016/j.fuel.2011.12051.16. Zhongzhu Gu, Xiaoli Xi, Jiancan Yang, and Jinjin Xu, “Properties of RE-W cathode and its application in electrostatic precipitation for high temperature gas clean-up,” Fuel, vol. 95, pp. 648-654, May 2012. Available: Jan. 06, 2012, https://doi.org/10.1016/j.fuel.2011.12051.
Claims (1)
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2021134843A RU2021134843A (en) | 2023-05-26 |
RU2806877C2 true RU2806877C2 (en) | 2023-11-08 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1647701A1 (en) * | 1989-05-23 | 1991-05-07 | Производственное Объединение "Светотехника" | Short-arc gas-discharge lamp of super high pressure |
US6614186B2 (en) * | 2000-03-30 | 2003-09-02 | Patent-Treuhand-Gesellschaft für Glühlampen mbH | Short-arc lamp |
WO2003075310A1 (en) * | 2002-03-05 | 2003-09-12 | Patent-Treuhand-Gesellschaft für elektrische Glühlampen mbH | Short arc high-pressure discharge lamp- |
JP2011065756A (en) * | 2009-09-15 | 2011-03-31 | Ushio Inc | Short arc discharge lamp |
RU190315U1 (en) * | 2019-05-14 | 2019-06-26 | Акционерное общество "Стелла-К" | Short arc discharge lamp for optical-electronic counter-infrared homing heads of guided missiles |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1647701A1 (en) * | 1989-05-23 | 1991-05-07 | Производственное Объединение "Светотехника" | Short-arc gas-discharge lamp of super high pressure |
US6614186B2 (en) * | 2000-03-30 | 2003-09-02 | Patent-Treuhand-Gesellschaft für Glühlampen mbH | Short-arc lamp |
WO2003075310A1 (en) * | 2002-03-05 | 2003-09-12 | Patent-Treuhand-Gesellschaft für elektrische Glühlampen mbH | Short arc high-pressure discharge lamp- |
JP2011065756A (en) * | 2009-09-15 | 2011-03-31 | Ushio Inc | Short arc discharge lamp |
RU190315U1 (en) * | 2019-05-14 | 2019-06-26 | Акционерное общество "Стелла-К" | Short arc discharge lamp for optical-electronic counter-infrared homing heads of guided missiles |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Technical Physics, 64, No 10, 2019, р. 1473-1479. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1724810B1 (en) | Slotted electrode for high intensity discharge lamp | |
JP2004172056A (en) | Mercury-free arc tube for discharge lamp device | |
JP5138091B2 (en) | High efficiency discharge lamp | |
Luijks et al. | Electrode diagnostics and modelling for ceramic metal halide lamps | |
JP5816244B2 (en) | Discharge lamp with improved discharge vessel | |
RU2806877C2 (en) | High and ultra high pressure short arc gas discharge lamp | |
Waymouth | LTE and near-LTE lighting plasmas | |
US2924733A (en) | Wall-stabilized electric high-pressure gaseous discharge lamp | |
US2673944A (en) | Electric discharge lamp | |
JP5311296B2 (en) | High watt type ceramic metal halide lamp lighting device | |
JP4777594B2 (en) | High pressure discharge lamp and lamp unit using the same | |
Waymouth et al. | A new metal halide arc lamp | |
US2034572A (en) | Electric lamp and method of producing light | |
US3290538A (en) | Low-pressure electric discharge lamp with internal elongated structure that modifiesthe diffusion length of the discharge and improves the lamp performance | |
Ruhrmann et al. | The gas phase emitter effect of lanthanum within ceramic metal halide lamps and its dependence on the La vapor pressure and operating frequency | |
RU2792635C2 (en) | Gas-discharge source of electrons | |
US1971907A (en) | Gaseous discharge device | |
van Bommel | Xenon Lamp | |
JPS61179052A (en) | Hydrogen luminous tube | |
Benilov | Plasma-physics aspects of high-intensity discharge lamps | |
Rehmet | Xenon lamps | |
Marden et al. | High-intensity mercury-arc lamps | |
JP2006318729A (en) | Metal halide discharge lamp and metal halide discharge lamp system | |
RU2455621C1 (en) | Spectral gas-discharge lamp for atomic absorption | |
JP4922961B2 (en) | Fluorescent lamp |