CC BY
4Развитие методики проведения физических экспериментов: на примере темы «газовый разряд»
Куренщиков Александр Владимирович,
кандидат технических наук, доцент кафедры метрологии, стандартизации и сертификации, Национальный исследовательский Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарёва E-mail: akur@inbox.ru
В статье рассматривается проблема повышения качества обучения инженеров в области светотехники путем совершенствования лабораторного учебного эксперимента по физике газового разряда. Предлагается установка для определения концентрации электронов в плазме разряда, построенная на методе с использованием внешних электродов. Метод предполагает измерение проводимости высокочастотного разряда, который инициируется между двумя внешними электродами, расположенными диаметрально противоположно на поверхности разрядной трубки. Измерения проводятся на частоте, соответствующей максимальной активной проводимости плазменного столба. Ток вспомогательного высокочастотного разряда измеряется с помощью термопреобразователя. Постоянный ток с термопреобразователя подается на вход усилителя постоянного тока, за счет применения которого, в отличие от известных методов, повышается точность измерений. Численное значение тока термопреобразователя измеряется микроамперметром, подключенным к выходу усилителя постоянного тока. Погрешность метода определения концентрации электронов не превышает 8%. Приводится схема и методика определения концентрации электронов в разрядных трубках. Метод не требует дорогостоящего оборудования, позволяет расширить диапазон параметров исследуемых образцов разрядных трубок, а также отказаться от использования разрядных трубок с установленным внутренними зондами.
Ключевые слова: учебный эксперимент, светотехника, разряд, плазменный столб, внешние электроды, измерение, концентрация электронов.
Как известно, газовый разряд используется в работе многих источников света: люминесцентных, металлогалогенных, натриевых, ксеноновых и неоновых. Разработкой и производством подобных источников света занимаются специалисты в области светотехники, которых готовит, в частности, институт электроники и светотехники МГУ им. Н.П. Огарёва. Качество подготовки инженера в области светотехники напрямую связано с его пониманием физических процессов, происходящих в плазме газового разряда, поэтому его изучению должно уделяться повышенное внимание.
Одним из важнейших параметров плазмы газового разряда является концентрация электронов пе, которая определяет поток резонансного излучения, генерируемый разрядом. Наиболее распространенными методами измерения концентрации электронов в разряде, являются зондовые методы. Суть методов заключается во введении в плазму разряда металлического зонда или зондов с последующей обработкой токовых сигналов с них. С точки зрения проведения учебного лабораторного эксперимента зондовые методы имеют ряд недостатков. Это необходимость изготовления специальной разрядной трубки с вплавленными в ее оболочку внутренними зондами, откуда следует фиксированная геометрия трубки и фиксированные параметры наполнения - род буферного газа и его давление. Неизбежный процесс натекания газоразрядной трубки приводит к изменению параметров ее наполнения, и следовательно искажает данные экспериментов, что приводит к необходимости ее замены, что в современных условиях довольно проблематично.
Альтернативой, для использования в учебном процессе вуза, видится использование метода измерения концентрации электронов, основанном на применении внешних зондов. Его применение обеспечивает универсальность измерений, высокую экономичность. Кроме того, внешние зонды (электроды) практически не вносят изменений в картину процессов, протекающих в газоразрядном канале. Вследствие этого характеристики разряда можно определять в условиях, близких к реальным условиям эксплуатации газоразрядных источников света.
Сущность метода заключается в следующем. На поверхности разрядной трубки (РТ) диаметрально противоположно размещаются два внешних электрода, между которыми инициируется высокочастотный вспомогательный разряд (рис. 1). Измеряя величину тока I вспомогательного разряда, можно определить концентрацию электронов
сз о со "О
1=1 А
—I
о
сз т; о m О от
З
ы о со
пе Измерения должны проводиться на частоте, соответствующей максимальной активной проводимости плазменного столба.
о с
и
Рис. 1. Схема метода определения концентрации электронов: ГВЧ - генератор высокой частоты; Э -внешние электроды; L1, L2 - индуктивные фильтры.
Согласно [1] среднее значение концентрации электронов во вспомогательном разряде, ограниченном внешними электродами, равно
2mdюI (1)
e2S1
иэг -
( 3,64 • 1010 Ы Л sSю
где т - масса электрона; d - внутренний диаметр разрядной трубки; ш - круговая частота напряжения разряда; I - величина тока вспомогательного разряда; е - заряд электрона; б - площадь внешнего электрода; иэ -напряжение между внешними электродами; h - толщина стенки РТ; £ - диэлектрическая проницаемость стекла РТ.
При допущении, что концентрация электронов максимальна на оси РТ, и равна нулю на стенках [2], средняя по сечению РТ концентрация электронов определяется по формуле:
пе = 0,56пе. (2)
Таким образом, концентрация электронов в плазменном столбе разрядной трубки может быть определена по измеренным значениям разрядного тока I, падения напряжения иэ и частоте f = ю / 2п вспомогательного высокочастотного разряда, возбуждаемого между внешними электродами.
Для определения концентрации электронов в разряде в ходе учебного лабораторного эксперимента предлагается установка, схема которой приведена на рис. 2.
Установка работает следующим образом. Снимаемое напряжение с генератора низкой частоты ГНЧ усиливается усилителем УНЧ и через повышающий трансформатор Тр1 прикладывается к электродам разрядной трубки. Обеспечение
идентичности нагрева электродов РТ осуществляется реостатами R1 и R2. Высокочастотное напряжение к внешним электродам прикладывается от генератора высокой частоты ГВЧ. Ограничение утечки токов высокой частоты в цепь питания РТ достигается применением индуктивных фильтров L1, L3, L4, L5, L6 и L7.
Рис. 2. Схема лабораторной установки для определения концентрации электронов
Для питания РТ используется генератор низкой частоты Г4-117 совместно с усилителем низкой частоты 100У-101. В качестве генератора высокой частоты используется генератор стандартных сигналов Г4-78. Термопреобразователь М5-78 используется в качестве датчика тока.
Ток вспомогательного ВЧ разряда измеряется с помощью термопреобразователя ТП. Постоянный ток с термопреобразователя подается на вход усилителя постоянного тока УПТ, к выходу которого подключен микроамперметр рА, с помощью которого измеряется величина тока термопреобразователя.
Для проведения эксперимента на РТ устанавливается специальный датчик, конструкция которого показана на рис. 3. Электроды датчика, размер которых составляет 3х3 мм, изготавливаются из никелевой фольги, и должны быть закреплены на поверхности РТ диаметрально противоположно друг другу. Для плотной фиксации электродов на поверхности РТ применяется резиновая манжета.
Концентрация электронов в плазменном столбе разряда, возбуждаемого в РТ, рассчитывается по формулам (1) и (2) по измеренным значениям тока I и падения напряжения иэ между внешними электродами для заданной конструкции разрядной трубки.
ла марки СЛ-97-1. В качестве электродов использовались оксидные катоды от 16 ваттных люминесцентных ламп. Измерения осуществлялись на РТ диаметром 12 мм и толщиной стенки 1 мм. Давление аргона варьировалось от 6 до 9 мм рт. ст. Количество дозированной ртути составляло15 мг. Разрядный ток, протекающий через РТ на частоте 50-100 Гц, изменялся от 20 до 250 мА. Частота ВЧ-разряда возбуждаемого между внешними электродами составляет 194 МГц. Для обработки экспериментальных данных применялся метод скользящего усреднения.
На рис. 4 приведены графики зависимости концентрации электронов в плазменном столбе РТ от силы разрядного тока при диаметре РТ d=12 мм, давлении аргона р=8 мм рт. ст. Максимальное расхождение измеренных значений концентрации электронов с известными данными [4] составляет менее 2%.
14
0 -
0 50 100 150 200 250 300
Разрядный ток , мА
Рис. 4. Зависимость концентрации электронов от разрядного тока: 1 - концентрация электронов по данным [4]; 2 -
концентрация электронов, измеренная с помощью ВЧ-метода
Рис. 3. Конструкция датчика: 1 - разрядная трубка; 2 -экран датчика; 3 - ВЧ кабель; 4 - центральная жила ВЧ кабеля; 5 - паяный контакт; 6 - внешние электроды; 7 -резиновая манжета [3]
Экспериментальная проверка метода определения концентрации электронов осуществлялась на разрядных трубках дозированных аргоном и ртутью. Оболочки РТ были изготовлены из стек-
На рисунке 5 приведена зависимость концентрации электронов от давления аргона в РТ при а=12 мм, /=250 мА. Из графика следует, что с увеличением давления аргона в диапазоне от 6 до 9 мм рт. ст. концентрация электронов в плазме аргоно-ртутного разряда монотонно возрастает, что согласуется с результатами приведенными в [4, 5]. Измерение величины ВЧ тока осуществляется микроамперметром после усиления усилителем постоянного тока, что позволяет добиться того, что погрешность метода не превышает 8%.
В заключении нужно отметить, что применение данной установки в учебном процессе позволяет отказаться от дорогостоящих экспериментальных РТ с установленными внутренними зондами. Открывает возможность использовать в учебных экспериментах серийно выпускаемые промышленностью газоразрядные источники света, что позволяет глубже понять физические процессы, лежащие в основе их работы, сложность и многообразие которых описаны в [6]. Установка не требует дорогостоящей аппаратуры, и позволяет существенно расширить диапазон параметров исследуемых РТ. Применение в учебном процессе данной установки, по мнению автора, способствует активизации усвоения студентами теоретического материала по физике газового разряда, стимулирует развитие творческого мышления и формированию компетенций инженера в области светотехники.
Литература
1. Свешников В.К. Неразрушающие методы исследований и контроля разрядных ламп // Современные проблемы науки и образования. -2009. - № 1. URL: https://science-education.ru/ ru/article/view?id=869.
2. Соболев В.Д. Физические основы электронной техники / В.Д. Соболев. - М.: Высшая школа, 1979. - 448 с.
3. Куренщиков А.В. Разработка методов исследования и расчёта миниатюрных люминесцентных ламп: автореферат дис. ... кандидата технических наук: 05.09.07. - Саранск, 2004. -19 с.
4. Bashlov N. Investigation of a (Hg+Ar) - discharge plasma under an increased pressure of Ar and in narrow tubes / N. Bashlov, Le Van Hieu, V. Milenin et al // J. Phys. D: Appl. Phys. - 1998. - Vol. 31. -P.1449-1456.
5. Башлов Н.Л. Исследование электрокинетических характеристик разряда в смеси Hg - Ar в узких трубках при повышенном давлении аргона / Н.Л. Башлов, Л.В. Хьеу, В.М. Миленин
и др. // ЖТФ. - 1996. - Т. 66. - Вып.2. - С. 4452.
6. Свешников В.К. Разрядные лампы в демонстрационном эксперименте / В.К. Свешников, В.А. Куренщиков, Т.А. Сенькина // Современные проблемы науки и образования. - 2015. -№ 2. URL: https://science-education.ru/ru/article/ view?id=22553.
DEVELOPMENT OF METHODS FOR CONDUCTING PHYSICAL EXPERIMENTS: ON THE EXAMPLE OF THE TOPIC «GAS DISCHARGE»
KURENSHCHIKOV A.V.
National Research Mordovia State University
The article deals with the problem of improving the quality of education of engineers in the field of lighting engineering by improving the laboratory educational experiment in gas discharge physics. A setup for determining the electron concentration in the discharge plasma based on the method using external electrodes is proposed. The method involves measuring the conductivity of a high-frequency discharge, which is initiated between two external electrodes located diametrically opposite on the surface of the discharge tube. The measurements are carried out at a frequency corresponding to the maximum active conductivity of the plasma column. The auxiliary high-frequency discharge current is measured using a thermal converter. Direct current from the thermal converter is fed to the input of the DC amplifier, due to the use of which, in contrast to known methods, the accuracy of measurements is increased. The numerical value of the thermal converter current is measured by a microamme-ter connected to the DC amplifier output. The error of the method for determining the electron concentration does not exceed 8%. A scheme and a procedure for determining the electron concentration in discharge tubes are presented. The method does not require expensive equipment, allows one to expand the range of parameters of the investigated samples of discharge tubes, as well as to abandon the use of discharge tubes with installed internal probes.
Keywords: educational experiment, lighting engineering, discharge, plasma column, external electrodes, measurement, electron concentration.
References
1. Sveshnikov V. K. Non-destructive methods of research and control of discharge lamps // Modern problems of science and education. - 2009. - No. 1. URL: https://science-education.ru/ru/ article/view?id=869.
2. Sobolev V.D. Physical foundations of electronic technology / V.D. Sobolev. - M.: Higher school, 1979. - 448 p.
3. Kurenshchikov A.V. Development of research methods and calculation of miniature fluorescent lamps: Abstract of the thesis. ... candidate of technical sciences: 05.09.07. - Saransk, 2004. - 19 p.
4. Bashlov N. Investigation of a (Hg+Ar) - discharge plasma under an increased pressure of Ar and in narrow tubes / N. Bashlov, Le Van Hieu, V. Milenin et al // J. Phys. D: Appl. Phys. - 1998. -Vol. 31. - P. 1449-1456.
5. Bashlov N.L. Investigation of the electrokinetic characteristics of the discharge in a mixture of Hg - Ar in narrow tubes at an increased pressure of argon / N.L. Bashlov, L.V. Khieu, V.M. Milenin and others // JTF. - 1996. - T.66. - Issue 2. -P. 44-52.
6. Sveshnikov V.K. Discharge lamps in a demonstration experiment / V.K. Sveshnikov, V.A. Kurenshchikov, T.A. Senkina // Modern problems of science and education. - 2015. - No. 2. URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=22553.
о с
u
