Радиальное распределение атомов ртути в газоразрядной плазме в люминесцентных лампах на переменном токе промышленной частоты Текст научной статьи по специальности «Физика»

раздел ФИЗИКА

УДК 533.9 ББК 22.333

РАДИАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ АТОМОВ РТУТИ В ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЕ В ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМПАХ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ.

Вальшин А.М., Харрасов М.Х., Шайхитдинов Р.З.*

Изучено радиальное распределение концентрации атомов ртути в люминесцентных лампах в зависимости от времени в полупериоде переменного тока частотой 50 Гц. Установлено обеднение приосе-вой области разряда атомами ртути вследствие радиального катафореза.

Ряд преимуществ люминесцентных ламп (ЛЛ) по сравнению с лампами накаливания, к которым, как известно, относятся высокая светоотдача, экономичность и соответствующая к солнечному спектр их излучения, вызывает большой практический и теоретический интерес с точки зрения изучения физических процессов в этих лампах. Поскольку выходное излучение ЛЛ обусловлено изменением энергетических состояний валентных электронов атомов ртути, то важно знать такие параметры, как их концентрация, пространственное распределение в объеме трубки в зависимости от внешних условий разряда.

Целью данной работы является изучение радиального распределения концентрации атомов ртути в ЛЛ в течение полупериода разрядного тока частотой 50 Гц.

Для определения временной зависимости радиального профиля концентрации атомов п(г^) использовалось излучение резонансной линии ртути длиной волны X =253,7 нм, интенсивность которого имеет вид:

•Т(г, 1) = пе(г, 1) . п(г, 1). К(г, 1) • Ьу ,(1)

где пе(г^) -распределение концентрации электронов по радиусу ЛЛ в зависимости от времени; К(г,г) -константа скорости прямого возбуждения электронным ударом данной линии из основного состояния, которая, в общем, может меняться вдоль радиуса разряда вследствие изменения энергии электронов £ по поперечному сечению трубки и во времени. Она определяется следующим образом:

ад

К (г, г) = | /(:) л12£ / т • а (£)&, (2)

и,

где и - потенциал ионизации, /(£ ) - функция распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ), а (£ ) - сечение ионизации атомов электронным ударом. Вблизи порога эта величина меняется по линейному закону:

а(£) = ао-(£ /иг -1), (3)

где а 0- постоянная, зависящая от рода химического элемента и имеющая порядок диаметра данного атома. Как показано в работе [1], в соответствующих ЛЛ условиях разряда в течение порядка (8-10) мкс после зажигания разряда устанавливается мак-свелловская ФРЭЭ. Тогда с учетом выражения (3) для константы скорости прямой ионизации имеем: К(г,0 = д/8. кТе /жт• о0-(у, /кТе + 2) ех^-и, /кТе), (4) где Те - температура электронов.

Для определения п(г, t) по формуле (1) использовались эмпирические зависимости пе (г, t) и Те (г, t), полученные в [2] экспериментальным путем в газоразрядной плазме ЛЛ, где т - некоторый фиксированный момент времени. При этом исходили из того, что характеристики разряда на частоте 50 Гц в отличие от высоких частот (более 500 Гц) с точки зрения физики газового разряда не отличаются от разряда постоянного тока, т.е при этом мгновенные значения параметров в каждый момент времени т устанавливаются такими, как на постоянном токе при соответствующей силе тока. Это объясняется тем, что период тока при 50 Гц значительно превышает времена релаксации элементарных процессов в плазме.

Эксперименты проводились с кварцевой лампой ДБ 30М промышленного изготовления при частоте питающего напряжения 50 Гц. Излучение из лампы с помощью системы линз и диафрагм фокусировалось на щель монохроматора, после чего регистрировалось фотоумножителем, и сигнал поступал в осциллограф. Измерения радиального распределения интенсивности производились поперек оси разряда, начиная с 0,5 мс от начала полупериода разрядного тока. Следует отметить, что при этом получаются усредненные по лучу зрения значения

"Вальшин Алыс Мустафович — кандидат физико-математических наук, доцент кафедры статистической радиофизики и связи

Харрасов Мухамет Хадисович — заведующий кафедрой статистической радиофизики и связи, доктор физико-математических наук, профессор, ректор БашГУ

Шайхитдинов Рамиль Зайниевич —кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики.

14

раздел ФИЗИКА

интенсивностей. Локальные значения интенсивно-стей находились из уравнения Абеля.

На рис.1 приводятся полученные таким образом радиальные распределения атомов ртути, из которого видно, что если в начальные моменты времени атомы ртути относительно равномерно распределены по сечению разряда, то с течением времени разность концентраций атомов металла на стенках лампы и на ее оси становится больше. Причиной этому служит явление радиального катафореза [3], которое экспериментально наблюдалось, например, в бинарных смесях гелий-кадмий [4] и гелий-ксенон [5]. Это явление имеет место при прохождении электрического тока через бинарную смесь газов, один из компонентов которой (основной газ) имеет больший потенциал ионизации, а другой (примесный) -меньший. Суть его заключается в переносе ионов легкоионизуемой примеси вследствие амбиполярной диффузии к стенкам разрядной трубки, где они, нейтрализуясь, создают область повышенной плотности атомов, обедняя тем самым приосевую часть разряда. Поскольку степень ионизации основного газа примерно на 3 порядка выше степени ионизации легкоионизуемого, то перераспределением основного газа вдоль радиуса можно пренебречь. Явление радиального катафореза может привести к тому, что при относительно большой степени перераспределения атомов ртути по радиусу область наиболее эффективного возбуждения атомов будет находиться не на оси разряда, а на некотором расстоянии между осью и стенкой трубки.

Нами был оценен также вклад явления термодиффузии на степень радиального перераспределения. Для этого, используя эмпирическую зависимость, приведенную в [2], было определено температурное поле газа в радиальном направлении. При этом получено, что относительное изменение концентрации атомов ртути между осью и стенкой трубки составляет не более 12% для наибольшего разрядного тока в нашем случае.

Эксперименты показывают, что с повышением разрядного тока глубина провала увеличивается. Это видно из рис.2, где приводятся относительные концентрации атомов ртути в центре разряда в течение полупериода питающего напряжения для различных разрядных токов. Это объясняется тем, что с ростом

тока увеличивается концентрация заряженных частиц, в том числе и ионов ртути, к стенкам лампы, что обуславливает, в свою очередь, возрастание их потока к ее стенкам. Соответственно при этом степень радиального перераспределения атомов ртути также увеличивается.

Для подтверждения этого были проведены расчеты радиального распределения концентрации атомов примеси и интегральной яркости излучения разряда в различные моменты времени активной фазы разряда.

Известно [4], что радиальное распределение атомов примеси можно представить в виде:

п(х) = и(0)-(1 + ах2 + Ь-х4) , (5)

где х=г/К, а и Ь - некоторые постоянные. Найти их можно, подставляя выражение (5) в стационарное уравнение баланса для атомов ртути:

Б-

1

х

д ск

X

д<х)

"дГ

= К(х) - <х)- 9(х)(6)

где Б - коэффициент диффузии атомов ртути в аргоне. Тогда имеем:

а = а /4, Ь = а (а - 2,42)/64, а = К-пе (0) / В. (7)

Как видно из выражений (5) и (7), степень радиального разделения компонентов смеси зависит от ФРЭЭ (через К) и силы разрядного тока (через пе). При этом чем больше частота ионизации

К - пе, тем больше а, а, значит, и степень перераспределения атомов ртути по сечению трубки.

Таким образом, как следует из результатов данной работы, в ЛЛ при питании током промышленной частоты из-за явления радиального катафореза происходит периодическое изменение распределения концентрации атомов ртути по поперечному сечению разряда. При этом в диапазоне примерно от 2 мс до 8 мс наблюдается существенное обеднение приосевой области разряда атомами ртути, что может служить причиной уменьшения эффективности работы газоразрядных источников света.

Рис. 1. Радиальный профиль относительной концентрации атомов ртути в различные моменты времени 1;, мс: 1 - 5, 2 - 1, 3 - 9,5.

Рис.2. Временной относительный ход концентрации атомов ртути на оси разряда для различных токов ¿р, А: 1- 0,25; 2-0.5.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ломов A.A.. Миленин В.М., Тимофеев H.A.//ЖТФ. 1978. Т.48. №10. С.2054-2059.

2. Охонская Е.В., Федоренко A.C. Расчет и конструирование люминесцентных ламп. Саранск: Мордовский универ-

ситет, 1997. 184 с.

3. Грановский В. Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М.:Наука, 1977. 543 с.

4. Kazufumi W., Shmzi W., Takeki S.//J.Appl. Phys. 1981. V.52. №5. P.3255-3258.

5. Девятов A.M., Шибков В.М., Шибкова Л.ВУ/Contrib. Plasma. Phys. 1986. V.26. №1. P.37-51

Поступила в редакцию 29.09.04 г.