CC BY
5А.В. Савушкин
АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ ЗЕРКАЛЬНОГО ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ К ЛАМПАМ
ТИПА ДНаЗ
Профиль зеркализованной части колбы натриевых ламп высокого давления типа ДНаЗ, выполняющей функцию отражателя, разработан так, что излучение после отражения не попадает обратно на горелку и другие части зеркала, обеспечивая тем самым выход излучения после однократного отражения. Качества ламп зависит от качества элементов конструкции, в частности, от качества зеркального серебряного покрытия, которое используется в лампах ДНаЗ фирмы Reflux.
Ключевые слова: лампы типа ДНаЗ; зеркальное покрытие; качество ламп; элементы конструкции; методы контроля; добротность; излучение.
Разное сочетание составов основных материалов и технологий нанесения покрытия привело к развитию и применению на практике разных методов независимого контроля толщин покрытия, обусловленных природой основных материалов и покрытий, видам дополнительных обработок основных материалов и так далее. Методы контроля толщины покрытий представлены на рисунке 1.
Рис. 1. Методы контроля толщины покрытий
Электромагнитные методы основаны на взаимосвязи электромагнитного поля, созданного катушкой индуктивности толщиномерного преобразователя и электромагнитного поля вихревого тока.
Электромагнитный метод контроля
Электромагнитный метод контроля или электровихревой способ контроля основан на вихревых токах, называемые также, токами Фуко. Токами Фуко называются электрические токи, возникающие вследствие электромагнитной индукции в проводящей среде (обычно в металле) при изменении пронизывающего ее магнитного потока. Вихревые токи порождают свои собственные магнитные потоки, которые, по правилу Ленца, противодействуют магнитному потоку катушки и ослабляют его [2, с. 119].
Вихревые токи работают следующим образом (рисунок 2):
1. Первичное магнитное поле создается переменным током в индукционной катушке.
2. Вихревые токи присутствуют, когда катушка находится над проводящем образцом.
3. Свойства вихревых токов определяются свойствами материала.
© А.В. Савушкин, 2022.
Научный руководитель: Майоров Михаил Иванович - доктор технических наук, доцент, Национальный исследовательский мордовский государственный университет им. Н.П.Огарёва, Россия.
4. Вихревые токи вызывают вторичное магнитное поле, которое противостоит первичному магнитному полю.
5. Сопротивление катушки зависит от свойств материалов, которые влияют на проводимость.
6. Это влияние измеряется приемной катушки.
1- катушка; 2 - магнитное поле катушки; 3 - вихревые токи; 4 - магнитное поле вихревых токов; 5 - проводник
Рис. 2. Принцип действия вихревых токов
Добротность колебательного контура показывает, во сколько раз энергия, запасенная в контуре, больше потери энергии за промежуток времени, в течение которого фаза колебаний изменяется на один радиан.
Схема электрического колебательного контура представлена на рисунке 3.
Рис. 3. Электрический колебательный контур Добротность р электрического колебательного контура равна [1, с. 44]:
п шЬ
(1)
где ш - циклическая частота, равная 2лги;
Ь - индуктивность в контуре, равная 0,5 мкГн; С - емкость конденсатора, равная 2000 пФ; Я - сопротивление в контуре, изменяющееся от 0,1 до 1 Ом. Результаты расчета представлены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты добротности
№ L, Гн V, Гц R, Ом Q
1 0,5 ■ 10-6 5- 106 0,1 157,0
2 0,5 ■ 10-6 5- 106 0,2 78,5
3 0,5 ■ 10-6 5- 106 0,3 52,3
4 0,5 ■ 10-6 5- 106 0,4 39,3
5 0,5 ■ 10-6 5- 106 0,5 31,4
6 0,5 ■ 10-6 5- 106 0,6 26,2
7 0,5 ■ 10-6 5- 106 0,7 22,4
8 0,5 ■ 10-6 5- 106 0,8 19,6
9 0,5 ■ 10-6 5- 106 0,9 17,4
10 0,5 ■ 10-6 5- 106 1,0 15,7
График зависимости амплитуды колебаний от частоты при разных сопротивлениях Я в контуре представлен на рисунке 4.
и,В
11
10
/Л
/
7 / N \ Q-
\ V-Q- "V Q-
™-V-
157
10 11
26,2
19,6
17,4
15,7 10.4
МГц
Рис. 4. График зависимости добротности от сопротивления
Как видно из графика на рисунке 4, все максимумы амплитуды колебаний находятся на одной частоте. Так получается, если считать, что влияние сопротивления мало. Однако, при более точном расчете резонансная частота меняется вместе с добротностью.
Нами было разработано устройство (рисунки 5) для измерения толщины серебряного зеркала в лампах типа ДНаЗ, работа которого основывается на том, что добротность в колебательном контуре зависит от толщины пленки. Прибор М измеряет напряжение на контуре, которое пропорционально добротности. В свою очередь, добротность обратно пропорциональна сопротивлению или же толщине пленки, т.е чем толще пленка, тем меньше добротность и чем тоньше пленка, тем больше добротность контура.
Схема устройства представлена на рисунке 5.
4
1 - «мнимое» сопротивление; 2 - катушка индуктивности; 3 - конденсатор; 4 - сопротивление генератора;
5 - измерительный прибор Рис. 5. Схема устройства для измерения толщины зеркальной пленки ламы ДНаЗ.
Сопротивление R в данной схеме мнимое, т.е. его в действительности нет, так как реальные потери будут не за счет протекания тока, а за счет возбуждающихся токов в серебряной пленке. Для измерения катушка прибора L прикладывалась к пленке и записывались показания измерительного прибора М.
Для калибровки прибора и для того, чтобы вычислить толщину измеряемой серебряной пленки, вырезался кусочек скотча площадью 10 см2, взвешивали его, получая массу m, а затем приклеивали к покрытию лампы и отдирали вместе с пленкой. И потом снова взвешивали, вычисляли массу Дm - массу серебряной пленки. Масса серебряной пленки связана с её толщиной по формуле [3, с. 19]:
Дт = р • V = р • 5 • бп, (2)
где р - плотность серебра, равная 10500 кг/м3;
V - объем серебряной пленки;
S - площадь серебряной пленки, равная 0,001 м2;
Sn - толщина серебряной пленки.
Результаты остальных расчетов представлены в таблице 2.
Таблица 2
Результаты расчетов масс серебряных пленок_
№ р, кг/м3 S, м2 s, м Am, кг
1 10500 0,001 1,0- 10-6 0,00001050
2 10500 0,001 0,9- 10-6 0,00000945
3 10500 0,001 0,8- 10-6 0,00000840
4 10500 0,001 0,7- 10-6 0,00000735
5 10500 0,001 0,6- 10-6 0,00000630
6 10500 0,001 0,5- 10-6 0,00000525
7 10500 0,001 0,4- 10-6 0,00000420
8 10500 0,001 0,3- 10-6 0,00000315
9 10500 0,001 0,2- 10-6 0,00000210
10 10500 0,001 0,1- 10-6 0,00000105
Каждому показанию прибора М (рисунок 5) полученному в процессе измерения пленок разной толщины соответствовала своя толщина пленки.
Таким образом, мы проградуировали прибор и показали соотношение между реальной толщиной пленки и показанием измерительного прибора М.
С помощью разработанного устройства мы измерили толщину пленки в реальных лампах.
Оказалось, что ее толщина в разных местах разная, при этом в центре колбы лампы серебряное покрытие имеет толщину, около 1 мкм, а ближе к краям зеркала она уменьшалась до 0,5 мкм.
Библиографический список
1. Дымченко Н.П. Физика. Ч. 3. Колебания и волны. Волновая оптика: Учеб.- метод. пособие / Н.П. Дымченко, И.А. Терлецкий.- Владивосток: Изд-во ДВГТУ.-2006.- 173 с.
2. Трофимова Т. И. Физика от А до Я: справочное пособие / Т. И. Трофимова. — М.: КНОРУС, 2014. — 304 с. — (Среднее профессиональное образование).
3. Трофимова Т. И. Физика : учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / Т.И.Трофимова. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Издательский центр «Академия», 2013. — 352 с.
САВУШКИН АЛЕКСЕЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ - магистрант, Национальный исследовательский мордовский государственный университет им. Н.П.Огарёва, Россия.
