Общие сведения о колбах разрядных ламп и их наполнении
Назначение колб разрядных ламп.
Колбы разрядных ламп представляют собой герметически замкнутые оболочки той или иной формы, прозрачные для оптического излучения. Их основное назначение - изолировать среду, в которой происходит разряд, от атмосферного воздуха. Наряду с этим колбы выполняют и другие функции. Они являются конструктивным остовом ламп, определяющим положения электродов, вводов и соединительных элементов. Во многих типах ламп стенки колбы ограничивают разряд, и, таким образом, форма и размеры колбы определяют форму и размеры разряда и его электрические и оптические свойства. В лампах с разрядом в парах металлов и веществ тепловой режим колбы определяет давление паров, а следовательно, оказывает решающее влияние на электрические и оптические свойства разряда. В люминесцентных лампах на внутренние стенки колбы наносится слой люминофора. В некоторых типах ламп колба выполняет роль оптической системы, перераспределяющей поток излучения в пространстве. Для этого колбе придают необходимую форму и покрывают ее поверхность отражающим или рассеивающим слоем В ряде случаев колба выполняет также роль фильтра.
В некоторых типах ламп колба, в которой происходит разряд (горелка), заключена в одну или несколько внешних колб. Последние чаще всего предназначены для обеспечения требуемого теплового режима горелки, но одновременно с этим могут выполнять и другие функции, перечисленные выше.
Рабочие вещества и их давление. Выбор рабочих веществ, т. е. веществ, в которых происходит разряд, определяется, с одной стороны, требованиями к спектру излучения, а с другой — возможностью использования соответствующего элемента или его соединения в разрядной лампе. Что касается спектров излучения, то существует большое число элементов, излучение которых представляет значительный интерес для создания эффективных источников излучения различного назначения. При использовании в разрядных лампах закрытого типа рабочие вещества должны удовлетворять, по крайней мере, двум требованиям: упругость паров элемента или вещества при допустимой рабочей температуре колбы должна быть достаточной для получения требуемого излучения с приемлемым КПД и элементы или вещества при рабочей температуре лампы не должны разрушать материал колбы и электродов.
Этим требованиям полностью удовлетворяют инертные газы, в определенной мере азот, водород, которые и находят применение в разрядных источниках излучения. Из металлов наиболее широкое применение нашла ртуть. Это объясняется тем, что из всех металлов она обладает наиболее высокой упругостью паров, дает богатый линейчатый спектр излучения в ультрафиолетовой и видимой областях спектра и химически не активна по отношению к материалу колб и электродов. К недостаткам ртути относится токсичность ее паров.
Среди других металлов, обладающих сравнительно высокой упругостью паров, после ртути следуют цезий, рубидий, кадмий, калий, натрий, цинк, т. е. металлы I и II групп таблицы Менделеева. Интересны по своим спектральным и другим характеристикам разряды высокого давления в парах натрия, цезия и некоторых других металлов. Температуры, при которых упругости паров некоторых металлов имеют значения 1,3 и 1,3-104 Па (Ю-2 и 102 мм рт.ст.). Первая точка близка к оптимальному выходу резонансного излучения в области низкого давления, вторая примерно соответствует началу области разрядов высокого давления.
Для получения давления паров (кроме Hg) около 1,3 Па (1G"2 мм рт. ст.) нужны температуры 155—630 °С, а для получения давления 1,3-104 Па (Ю2 мм рт. ст.) —температуры 500 °С и выше. Этим определяются требования к тепловому режиму материала колбы.
До 60-х годов большое число элементов не могло быть использовано для наполнения разрядных ламп либо из-за недостаточной упругости паров при допустимых рабочих температурах колбы (кварцевое стекло до 900—950 °С), либо из-за разрушающего воздействия на материал колбы или электродов.
Начало 60-х годов ознаменовалось большими успехами в преодолении этих трудностей. Во-первых, был открыт новый метод введения многих элементов в разряд . Во-вторых, был разработан новый материал для колб из оксида алюминия. Благодаря этим успехам появились лампы, обладающие самым различным спектром излучения при более высоких КПД, чем известные до этого. Принцип их действия, устройство и характеристики.
При использовании газов создание необходимого рабочего давления достигается путем наполнения колбы лампы до требуемого давления во время изготовления. При работе лампы давление лишь несколько повышается за счет повышения температуры газа.
В лампах с парами металлов или их соединений рабочее давление паров определяется температурой колбы и количеством введенного в лампу металла или его соединения. До тех пор пока в лампе есть жидкая (или твердая) фаза, давление определяется как упругость паров, насыщающих пространство, по минимальной температуре внутри лампы. С ростом температуры давление очень резко возрастает. В работающей и неработающей лампе давление паров в зависимости от температуры колбы может изменяться в тысячи и миллионы раз. Необходимая для создания соответствующего давления минимальная температура внутри лампы обеспечивается за счет нагрева колбы и электродов энергией разряда.
Лампы низкого давления, использующие резонансное излучение металлов, работают, как правило, при избытке металла, и поэтому рабочее давление в них определяется как давление насыщающих паров. Режим этих ламп весьма сильно зависит от температуры колбы. Лампы высокого и сверхвысокого давления стараются наполнять дозированным количеством металла с таким расчетом, чтобы при работе лампы он полностью испарялся и лампы работали в режиме ненасыщающих паров. При этом давление, а следовательно, все электрические и световые характеристики значительно меньше зависят от теплового режима колбы.
Обратим внимание на то, что натриевые лампы высокого давления работают при наличии жидкой фазы амальгамы натрия, и поэтому их характеристики в сильной мере зависят от температуры холодной зоны лампы, определяющей давление паров ртути и натрия. Аналогично многие типы металлогалогенных ламп наполняются избыточными количествами некоторых излучающих добавок, и поэтому давление паров этих добавок резко зависит от температуры наиболее холодной зоны колбы лампы. В некоторых типах разрядных ламп высокого и сверхвысокого давления существенную роль играет конвекция (см. гл. 14, 15, 19).
Материалы колб разрядных ламп.
Материал колбы должен удовлетворять следующим требованиям:
1) быть прозрачным в необходимой области оптического спектра;
2) обладать газонепроницаемостью при рабочих температурах;
3) допускать работу при температурах, требуемых условиями разряда и эксплуатации;
4) обладать химической стойкостью по отношению к веществам, в которых происходит разряд при рабочих температурах, и не взаимодействовать с ними;
5) не выделять веществ, нарушающих работу лампы (электроды, газовая среда, люминофор и т. д.);
6) допускать возможность придания ему формы различных оболочек и обладать способностью сохранять полученную форму;
7) обладать при рабочих температурах механической прочностью, достаточной для того, чтобы выдерживать внешние и внутренние давления, необходимые для работы лампы;
8) обладать хорошими электроизоляционными свойствам при рабочих температурах;
9) допускать соединения с металлами для получения вакуумно-плотных вводов;
10)быть достаточно дешевым и технологичным для изготовления колб разрядных ламп и т. д.
Основным материалом, применяемым для изготовления колб разрядных ламп, являются различные сорта неорганических стекол. В настоящее время разработано большое количество сортов стекла специально для колб разрядных ламп различного типа. В качестве основного стеклообразующего оксида используется оксид кремния, который обычно составляет от 50 До 100%.
Кривые пропускания для нескольких наиболее распространенных в промышленности сортов стекол. Обычные сорта стекол прозрачны в области от 320 нм до 3 мкм. Для увеличения прозрачности стекол в более далекой ультрафиолетовой области спектра содержание солей железа, титана и некоторых Других металлов должно быть ниже тысячных долей процента. .В этом случае удается сдвинуть границу пропускания до .200 нм. Наибольшей прозрачностью обладает кварцевое стекло.
Кривые пропускания некоторых наиболее распространенных в лам в электронной промышленности сортов стекол при толщине 1 мм и температуре 20 °С: /.— кварцевое стекло; 2— стекло С-49-5К: 3— стекло С-90-1 представляющее собой плавленый диоксид кремния высокой степени чистоты. Оно прозрачно в области от 180 нм до 5 мкм. Для получения прозрачности в более коротком ультрафиолете или более далекой ИК-области применяют небольшие окошки из специальных материалов в основной колбе.
Обычные сорта стекол могут работать при температурах, не превышающих 200 °С. Этим ставится предел повышению удельной мощности ламп и рабочему давлению паров. Дальнейшее повышение удельной мощности и рабочего давления паров в лампе может быть достигнуто путем использования более тугоплавких стекол, например так называемых молибденовых с рабочей температурой около 300—350 °С или стекол типа «Пи-рекс» с рабочей температурой до 500 °С. Однако и эти стекла решают проблему создания высоконагруженных ламп только частично. Удельные электрические мощности удается повысить до 3—4 Вт/см2, а давления до (1—2)105 Па.
Совершенно новые возможности в смысле создания ламп со значительно более высокими удельными мощностями и весьма высокими давлениями открыло применение кварцевого стекла. Температура размягчения кварцевого стекла составляет около 1600 С Хорошие сорта стекол могут работать многие сотни часов при рабочих температурах до 950 °С. Механическая прочность кварцевого стекла находится на уровне прочности лучших стекол: о2=700-М200 кгс/см2.
Кварцевое стекло имеет весьма низкий температурный коэффициент линейного расширения, слабо возрастающий с температурой (а«6-10~7 °С-1), что обеспечивает его очень высокую термическую устойчивость. Но малый температурный коэффициент расширения затрудняет создание достаточно удобных в производстве и надежных вакуумно-плотных спаев, поскольку ни один металл при температуре размягчения кварца не имеет такого низкого коэффициента расширения. Проблема создания вакуумно-плотных вводов на токи до нескольких десятков ампер была решена примерно в 1936—1938 гг., после чего стали получать все более широкое развитие различные источники света высокой интенсивности в колбах из кварцевого стекла.
Серьезным недостатком силикатных стекол, в том числе и кварцевого стекла, является их слабая устойчивость по отношению к разряду в парах щелочных металлов при повышенных температурах. Для ламп НД с парами этих металлов изготовляются специальные накладные стекла. Их рабочие температуры не превосходят 450 °С. Поэтому они непригодны для создания ламп высокого давления с парами этих металлов.
В конце 50-х годов был разработан новый керамический материал для колб, обладающий более высокими рабочими температурами (до 1600°С), чем кварцевое стекло, и весьма устойчивый к воздействию паров щелочных металлов вплоть до 1500 °С. Он представляет собой спеченный при высоких температурах поликристаллический оксид алюминия AI2O3 особой чистоты и известен под названиями «поликор», «люкор» и др. Появление этого материала открыло возможности создания ряда ламп высокого давления с парами щелочных металлов, таких, как натрий, цезий и др. В настоящее время этот материал получил широкое применение в натриевых лампах ВД.
В середине 70-х годов была разработана технология производства трубок из высокопрозрачных монокристаллов А1203. Их коэффициент пропускания достигает 96—98%, и они практически не содержат примеси. Трубки используются в качестве оболочек для ламп высокого давления в парах щелочных металлов.
Поликристаллический оксид алюминия имеет следующие характеристики: плотность 4 г/см3; температурный коэффициент линейного расширения около 8-Ю-7 °С-1; температура плавления 2050°С; теплопроводность 0,318 Вт/(см-°С) при 50°С и круто падает с ростом температуры выше 100 °С; модуль упругости 3,9-106 кгс/см2; временное сопротивление разрыву 3100 кгс/см2; коэффициент Пуассона 0,2. Материал дает рассеянное пропускание; прозрачность в видимой области для всего потока — до 90%, средняя величина прямого пропускания 35%, в ИК-области пропускание до 6—7 мкм.
Форма и размеры колб определяются в основном выбранной формой и типом разряда, конструктивными и технологическими соображениями, а также условиями получения требуемого температурного режима. Колбы ламп с малым расстоянием между электродами имеют шаровую или близкую к ним форму, цилиндрическую, овальную и т. п. Колбы ламп с большим расстоянием между электродами имеют форму трубок. Для мощных ламп низкого давления с резонансным излучением иногда применяют трубки некруглого сечения. В последние годы все большее применение находят лампы, сочетающие в себе источник излучения с оптической системой для перераспределения излучения в пространстве.
Определяющими конструктивными размерами колбы являются в случае шаровой формы диаметр и толщина стенки, в случае трубчатой формы диаметр трубки, ее длина и толщина стенки. В том случае, когда трубкам придают форму спиралей, зигзагов и т. п., к конструктивным размерам относятся также диаметр спирали и ее шаг или другие геометрические размеры, определяющие конфигурацию лампы. Конфигурация трубчатых ламп определяется обычно, исходя из светотехнических требований с учетом теплового режима колбы. Размеры колб выбираются, исходя из геометрических размеров разряда и температурного режима лампы.
Лампы, у которых длина и диаметр колбы примерно одного размера, условно будем называть компактными лампами.