Устройство горелки
Для получения ртутного разряда высокого давления используют трубчатые кварцевые лампы, которые принято называть горелками.
В кварцевую трубку с обоих концов запаяны самокалящиеся оксидные катоды, рассчитанные обычно на большие токи, чем катоды люминесцентных ламп. Так как лампы рассчитаны на работу в сети переменного тока, то оба электрода одинаковы и выполняют, так же как и в люминесцентных лампах низкого давления, поочередно роль катода и анода.
При выборе конструкции катода (так называют электроды ввиду того, что этот период их работы является наиболее важным) приходится учитывать период разгорания лампы, в течение которого разряд постепенно переходит от разряда низкого давления к разряду высокого давления. Для облегчения зажигания горелка наполняется аргоном до давления 150 – 200 Па. Ток, проходящий через лампу сразу после зажигания, превышает установившийся рабочий ток лампы почти вдвое. Это является необходимым условием для образования разряда высокого давления.
В зависимости от условий разряда применяют электроды различной конструкции. Как правило, они состоят из двух основных частей – зажигающей и рабочей. Зажигающая часть содержит запас активного вещества и служит для облегчения зажигания и работы в период разгорания, особенно опасный в отношении распыления материала катода. Рабочая часть электрода вследствие тяжелого теплового режима изготовляется исключительно из вольфрама, имеющего наиболее высокую температуру плавления и малую скорость испарения. Для снижения работы выхода вольфрам часто применяется с активирующими присадками, например торием.
Простейшая конструкция электрода для ламп высокого давления показана на рисунке 1, а. Вольфрамовый сердечник, конец которого, обращенный к разряду, заточен на конус для лучшей фиксации разряда, несет на себе вольфрамовую спираль, свитую из проволоки меньшего диаметра. Спираль покрыта оксидом (смесью карбонатов бария, стронция и кальция), аналогичным применяемому для катодов люминесцентных ламп низкого давления. Спираль является зажигающей частью электрода, а вольфрамовый сердечник – рабочей частью. Недостатком электродов такой конструкции является быстрое распыление активного вещества, приводящее к выходу ламп из строя вследствие роста напряжения зажигания.
Рисунок 1. Электроды (катоды) ртутных ламп высокого давления:
1 – активное вещество (оксид); 2 – вольфрамовый сердечник; 3 – спираль
На рисунке 1, б – г показаны более совершенные конструкции электродов, применяемые в современных лампах высокого давления с люминофорами. Катод представляет собой керн из тарированного вольфрама, конец которого имеет форму полусферы или плоскости. На керн надета плотно свитая вольфрамовая спираль. Запас активного вещества в виде пасты из активатора или блока активного вещества помещен в пространство между керном и витками спирали. Спираль предохраняет активатор (оксид) от высыпания и воздействия разряда. При испарении и поверхностной диффузии во время работы лампы активатор попадает на внешнюю эмитирующую часть витков, подготавливая катод к очередному зажиганию лампы. В настоящее время разработаны активаторы, отличные от смеси карбонатов и обладающие лучшей стойкостью в условиях ртутного разряда высокого давления.
Электроды ламп высокого давления, как видно из рисунка 1, имеют выступающий из спирали керн. Покрытие спирали активным веществом, как и в люминесцентных лампах, приводит к уменьшению работы выхода электронов. Это в свою очередь снижает катодное падение напряжения и скорость положительных ионов, бомбардирующих электрод, что уменьшает распыление катода в пусковой период.
Работа горелки
При подаче на лампу зажигающего напряжения выход электронов с катода определяется автоэлектронной эмиссией в прикатодной области и ток не превышает нескольких миллиампер. По мере разгорания лампы преобладающей становится термоэлектронная эмиссия. После нагрева спирали катода до температуры, обеспечивающей эмиссию электронов с катода, достаточную для поддержания разряда, в лампе устанавливается режим дугового разряда, который сопровождается ростом давления паров ртути. Через 5 – 20 секунд после этого происходит разогрев керна и разряд перебрасывается со спирали на выступающую часть керна. Это объясняется тем, что разряд всегда устанавливается по кротчайшему расстоянию между электродами, что обеспечивает и наименьшее падение напряжения в столбе разряда – напряжение на лампе после ее разгорания снижается. Перемещение начала разряда со спирали на конец керна снижает падение напряжения на лампе на 10 – 20 В. Одновременно происходит стягивание разряда в наиболее нагретую точку керна, образующую катодное пятно, что приводит к некоторому уменьшению катодного падения напряжения. В результате в катодах указанных конструкций активированная спираль разрушается только в процессе зажигания разряда, а вольфрамовый керн – в процессе горения, что позволило создать лампы с высоким сроком службы.
 |
| Рисунок 2. Детали конструкции горелки ртутной лампы высокого давления: 1 – основной электрод; 2 – молибденовые фольговые вводы основного электрода и электрода поджига; 3 – добавочный резистор в цепи электрода зажигания; 4 – цепь электрода зажигания |
Для подведения тока к такому электроду через кварц применяют вводы специальных конструкций. Для облегчения зажигания в один или оба конца горелки впаяны добавочные электроды зажигания, соединенные с противоположным катодом через добавочный резистор. Благодаря малому расстоянию между основным и зажигающим электродами между ними возникает разряд, способствующий ионизации газа в лампе. Как только сопротивление канала разряда становится меньше сопротивления резистора, включенного последовательно с электродом зажигания, устанавливается разряд между основными электродами. Электрод зажигания выполняется из вольфрама. На рисунке 2 показана конструкция одного из концов ртутной горелки дуговой ртутной лампы высокого давления с исправленной цветностью.
Размеры кварцевой горелки выбирают исходя из параметров разряда, от которых зависит расстояние между электродами, и температурного режима, то есть давления паров ртути. Нагрев колбы горелки осуществляется за счет энергии разряда. Эта энергия передается через стенки колбы к ее внешней поверхности, откуда происходит дальнейшее рассеяние энергии в газ, наполняющий внешнюю колбу, или во внешнюю среду.
Источник: Афанасьева Е. И., Скобелев В. М., "Источники света и пускорегулирующая аппаратура: Учебник для техникумов", 2-е издание переработанное – Москва: Энергоатомиздат, 1986 – 272 с.