Способ генерации излучения на резонансных переходах атомов металлов

Заявляемое техническое решение относится к способам генерации излучения на резонансных переходах атомов металлов в возбуждаемых электрическим разрядом смесях инертных газов с парами металлов и представляет интерес для приложений в фотохимии, микроэлектронике, экологии (очистка воды и воздуха), светотехнике (люминесцентные лампы) и других областях.

Электронные переходы между основным и первыми возбужденными состояними атомов металлов потенциально являются высокоэффективными источниками узкополосного излучения в ультрафиолетовой (УФ) и видимой областях спектра при разрядном возбуждении. Излучение в УФ генерируется прежде всего возбужденными атомами ртути (длины волн резонансных переходов 6¹P₁-6¹S₀, 6³P₁-6¹S₀ составляют ~185 нм и ~254 нм), видимой области спектра соответствует прежде всего известный дуплет натрия 5²P_1/2-3²S_1/2 (589,6 нм) и 5²P_3/2-3²S_1/2 (589,0 нм). Резонансное излучение именно этих двух атомов металла представляет основной интерес и чаще всего используется в приложениях.

В этой связи детально исследовались способы возбуждения указанных переходов в электрических разрядах (тлеющем и дуговом, низкого и высокого давления и т.д.), наиболее высокие параметры по эффективности достигнуты в дуговых разрядах низкого давления на смесях атомов ртути или натрия с инертными газами. Возбуждение резонансных состояний и оптические свойства разряда для ртути и натрия (а также паров других металлов) подобны ([1]: Рохлин Г.Н. «Разрядные источники света». 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1991 - 720 с.), подробное описание оптических свойств разряда в ртути и смеси ртути с аргоном, учитывающее реабсорбцию излучения, представлено, например, в обзоре ([2]: В.А Фабрикант. «Некоторые вопросы оптики газового разряда». УФН, 1947, т.32, вып.1, с.1-25). В экспериментах и теоретических расчетах было показано [1,2], что в оптимальных условиях эффективность возбуждения электрическим разрядом низколежащих резонансных и метастабильных уровней может достигать ~75% для атомов ртути и свыше 80% для атомов натрия, что делает соответствующие разрядные лампы на парах металлов, прежде всего ртути и натрия, перспективным источником излучения. Способы возбуждения разряда в таких лампах в целом аналогичны, основные различия, в том числе конструктивные, связаны с температурой, при которой реализуется оптимальное давление насыщенных паров металла.

Известен способ генерации излучения на резонансных переходах атома металла (ртути), включающий возбуждение знакопеременным продольным электрическим разрядом промышленной частоты (50 Гц) смесей инертных газов с атомами металла низкого давления ([1]). Этот способ возбуждения использовался, в том числе, в широко известных люминесцентных лампах на парах ртути [1]. В качестве источника атомов металла в известном способе применялась металлическая ртуть (металлический натрий), поддерживаемые при определенной температуре (соответствующей, как правило, давлению насыщенных паров металла ~0,3÷1 Па), в качестве инертного газа наиболее часто применялся аргон или смесь аргона с неоном при давлении несколько сотен Па. Лампа на парах металлов, как правило, представляет собой цилиндр диаметром 15-50 мм и длиной 0,3÷1,5 метра; рабочая температура разряда, соответствующая оптимальной концентрации паров металла, составляет ~45°C для ртути и ~280°C для натрия.

В указанных условиях возбуждения эффективность генерации УФ излучения атомами ртути достаточна высока - реальный КПД преобразования энергии разряда в излучение резонансного перехода атома ртути 254 нм достигает 25%, а светоотдача люминесцентных ртутных ламп по известному способу достигает 70 лм/Вт, натриевых ламп - 200 лм/Вт. Применение для возбуждения разряда знакопеременного электрического тока промышленной частоты (тока, направление которого каждые 10 мс изменяется на противоположное) позволяет практически полностью исключить миграцию положительно заряженных ионов (и, как результат, атомов) ртути к «мгновенному катоду» и нестабильность излучения по длине трубки. Кроме того, для ртутных ламп при использовании для изготовления трубки кварца высокой чистоты или других материалов, прозрачных в области 185 нм, на этой длине волны дополнительно излучается до 6% от вкладываемой в разряд мощности и, таким образом, общий КПД генерации УФ излучения в ртутной лампе согласно известному способу достигает ~30%.

Однако КПД известного способа далек от максимально возможных величин, кроме того, для ртутных ламп известный способ экологически опасен, поскольку значительное количество ртути, находящейся в лампе в жидком состоянии и быстро испаряющееся при комнатной температуре, требуется утилизировать после завершения работы лампы или при ее поломке. Далее, при частоте знакопеременного тока 50 Гц электрический разряд зажигается и прекращается в каждом полупериоде (поскольку в отсутствие электрического поля время жизни электронов в разряде составляет доли миллисекунды), что требует перезажигания разряда в каждом цикле и существенно снижает срок службы электродов, приводит к значительным колебаниям мощности излучения. Кроме того, при малом напряжении на лампе эффективность возбуждения электронных переходов атома ртути (натрия) низка и вкладываемая в разряд энергия практически полностью преобразуется в тепло за счет упругих потерь при столкновениях электронов с атомами, что снижает не только КПД, но и возможную мощность излучения лампы (поскольку температура стенок лампы ограничена вследствие быстрого роста давления насыщенного пара металлов с увеличением температуры).

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ генерации излучения на резонансных переходах атомов металлов в продольном высокочастотном дуговом разряде низкого давления, возбуждающем смеси инертных газов с парами металлов. Наиболее подробно этот способ изучен для дуговых ртутных ламп, прежде всего амальгамных ртутных ламп ([3]: Костюченко С.В., Кузьменко М.Е., Печеркин В.Я. «Исследование работы мощных амальгамных источников бактерицидного излучения низкого давления на частоте 40 кГц». Электронный журнал "Исследовано в России", 2000, т.3, с.1365-1372; http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2000/100.pdf).

Для типичных условий применения известного способа с частотой квазисинусоидальной накачки в диапазоне 30-50 кГц основные временные параметры плазмы разряда составляют: круговая частота синусоидального возбуждения ω~(2÷3)·10⁵ Гц обратное время жизни возбужденных атомов (с учетом перепоглощения излучаемых фотонов при оптимальном давлении паров металла, в известном способе - ртути) 1/τ*~(0,5÷1)·10⁵ Гц, частота релаксации электронной температуры в разряде 1/τ_е~(5÷7)·10⁵ Гц. Возбуждение разряда с круговой частотой, превышающей обратное время жизни возбужденных атомов (и, тем более, обратное время жизни электронов разряде), приводит к тому, что за период накачки концентрация электронов практически не меняется, а концентрация излучающих (возбужденных) атомов, как и мощность излучения, меняется в пределах ±(20÷30)%. Вследствие нелинейной зависимости скорости возбуждения от температуры электронов Т_е эта концентрация приближается к соответствующей максимальной Т_е за период. При этом частота релаксации электронной температуры 1/τ_е в разряде настолько высока, что в любой момент времени Т_е соответствует приложенному полю и, как результат, концентрация излучающих частиц в высокочастотном разряде обеспечивается при меньшей средней энергии электронов, то есть при меньшей величине упругих потерь и, соответственно, при росте КПД преобразования электрической энергии в свет.

В частности, в [3] при возбуждении продольным электрическим разрядом одной и той же смеси инертных газов (Ar/Ne) с парами ртути в трубке с межэлектродным расстоянием 1450 мм был реализован КПД генерации излучения на длине волны ~254 нм около 33,6% при частоте накачки 50 Гц и 39,5% при частоте накачки 40 кГц. Кроме того, при высокой частоте тока уменьшается анодное падение напряжения, снижение энерговыделения в прианодной области приводит к увеличению ресурса электродов. Аналогично, уменьшение средней температуры электронов снижает скорость диффузии атомарных (молекулярных) ионов к стенкам трубки, а бомбардировка ионами стенок также в значительной степени определяет ресурс современных ламп на парах металлов.

Таким образом, применение продольного высокочастотного квазисинусоидального разряда для генерации излучения в дуговом разряде на смесях инертных газов с парами металлов позволило значительно повысить его эффективность, увеличить ресурс электродов и, соответственно, лампы в целом, а также обеспечить достаточно высокую стабильность излучения за период изменения тока

В случае ртутных ламп использование амальгам в качестве источника атомов ртути также кардинально повышает безопасность таких ламп. При комнатной температуре (и даже до 50÷60°C) давление насыщенных паров ртути над используемыми в ртутных лампах амальгамами мало, ртуть в такой амальгамной лампе находится практически полностью в связанном состоянии, в виде паров в лампе находится ~0,03 мг на лампу и именно это количество может перейти в атмосферу при поломке лампы по сравнению с миллиграммами ртути (и больше) в «обычных» ртутных лампах. Кроме того, применение амальгамного источника атомов ртути позволило в известном способе без усложнения конструкции при той же концентрации атомов ртути в разряде повысить рабочую температуру газовой смеси до ~100°C по сравнению с ~45°C в лампе с металлической ртутью, то есть значительно увеличить энерговклад и погонную мощность генерируемого УФ излучения.

Однако КПД ламп на парах металлов по известному способу существенно ниже потенциальных возможностей разряда низкого давления в смесях инертных газов с парами металлов, повышение ресурса работы ламп на парах металлов также представляет значительный интерес, прежде всего для ламп с высокой погонной мощностью излучения.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение эффективности и ресурса источников излучения на резонансных переходах атомов металлов, возбуждаемых в дуговом разряде низкого давления.

Технический результат достигается тем, что в способе генерации излучения на резонансных переходах атомов металлов в дуговом разряде низкого давления, включающем возбуждение знакопеременным продольным электрическим разрядом высокой частоты смесей инертных газов с парами металлов, возбуждение разряда проводится по существу прямоугольными импульсами тока со скважностью не более 2,0 и длительностью не более эффективного времени жизни резонансного состояния излучающего атома металла.

Принципиальная идея заявляемого технического решения состоит в том, чтобы обеспечить такую же, как в известном способе, мощность возбуждения разряда при той же (близкой) эффективности возбуждения, однако при меньшей концентрации электронов в плазме разряда.

Известна существенная роль электронного тушения возбужденных состояний атомов металла, снижающая эффективность прежде всего мощных резонансных ламп. Например, слаботочная натриевая лампа с низкой концентрацией электронов и искусственным подогревом до оптимальной по концентрации паров натрия температуры позволила реализовать светоотдачу до 400 лм/Вт ([1]), что вдвое больше, чем у сравнительно мощных натриевых ламп. Аналогично, уменьшение тока высокочастного разряда в амальгамной ртутной лампе с 3 А до ~1,5 А приводит к росту КПД излучения на ~254 нм с ~35% до 41-42% или в 1,2 раза ([4]: Печеркин В.Я. «Исследование механизмом спада УФ излучения и ресурса работы источников УФ излучения с ртутной дугой низкого давления». Автореф. дисс. к.ф. - м.н. М.: МФТИ, 2007 - 23 с.). Дальнейшее снижение тока разряда в амальгамной ртутной лампе, как установлено авторами заявляемого технического решения, позволяет получить КПД свыше 50% при токе ~0,5 А и независимом нагреве амальгамы. Здесь также подчеркнем аналогию между процессами в ртутной и натривой лампах низкого давления, возбуждаемых дуговым электрическим разрядом.

Однако в известных вариантах рост КПД сопровождается значительным снижением вкладываемой в дуговой разряд электрической мощности и излучаемой световой мощности, что не представляет практического интереса. Для практических целей необходимо повышение эффективности генерации излучения без снижения его (излучения) мощности, что и реализовано в заявляемом изобретении.

При возбуждении разряда согласно прототипу, напряжение U и ток I на разряде меняются практически по синусоидальному закону:

$$\text{U}={\text{U}}_{\text{0}}\text{sin(}\omega \text{t)}\text{, I}={\text{I}}_{\text{0}}\text{sin(}\omega \text{t}+\varphi \text{) (1)}$$ ,

причем сдвиг фаз φ минимален и даже, согласно ([3]) напряжение и ток синфазны, cosφ≈1 (более точно, в интервале 0,92÷0,98). В этом случае вкладываемая мощность W и концентрация электронов N_e в плазме разряда составляют:

$$\text{W}=\text{U0I0/2}\text{, Ne~I0/U0 (2)}$$ ,

второе соотношение вытекает из формулы для плотности тока $$j_0=\overline{e}Ne\mu {\overline{E}}_0$$ , где $$\overline{e}$$ - заряд электрона, µ - подвижность электронов, $$\overline{E}0=U0/L$$ - напряженность поля в разряде (L - межэлектродное расстояние) с учетом практически постоянной концентрации электронов в разряде при высокочастотной накачке.

Предположим, что ту же самую мощность накачки можно реализовать с помощью по существу прямоугольных импульсов тока при том же составе газовой смеси, том же напряжении U₀ и скважности знакопеременных импульсов G. По существу прямоугольная форма импульсов означает, что длительность фронтов нарастания и спада тока (или напряжения) от нулевого до значения, составляющего 90% от максимального (и снова до нулевого) в каждом отдельном импульсе существенно меньше, чем длительность импульса, например, суммарная длительность фронтов не превышает 10-15% общей длительности импульса. В этом случае скважность импульсов равна отношению промежутка времени между передним фронтом импульсов разной полярности к длительности отдельного импульса (например, по полувысоте).

Для указанного режима мощность накачки разряда составит:

$$\text{W}={\text{U}}_{\text{0}}{\text{I}}_{\text{1}}\text{/G (3)}$$ ,

где I₁ - амплитуда тока по существу прямоугольных импульсов накачки (это уравнение можно рассматривать и как формальное определение скважности, если вкладываемая в разряд электрическая мощность определена независимо). Сравнивая выражения (2) и (3), с учетом одинаковой подвижности электронов при одинаковой напряженности электрического поля, находим соотношение между концентрацией электронов в разряде при накачке по существу прямоугольными импульсами n_e и согласно прототипу:

$${\text{n}}_{\text{e}}={\text{N}}_{\text{e}}\cdot \text{(G/2) (4)}$$

Таким образом, если при использовании по существу прямоугольных импульсов со скважностью G<2 возможно реализовать ту же мощность накачки разряда при том же (или большем) напряжении, что и в прототипе, то концентрация электронов в разряде уменьшится. При этом сохранение напряжения на разряде означает, что эффективность возбуждения излучающих уровней в рассматриваемом варианте возбуждения будет не меньше, чем в известном способе и, как следствие, эффективность генерации резонансного излучения увеличится. В результате, ту же мощность излучения (а это ключевая характеристика лампы наряду с ее эффективностью) становится возможным получить при меньшей мощности накачки, то есть при еще несколько меньшем токе (концентрации электронов), что дополнительно увеличивает КПД лампы.

Более того, меньшая концентрация электронов и, соответственно, ионов автоматически обеспечивает меньшую ионную бомбардировку стенок трубки, что увеличивает ее ресурс. Аналогично, меньшее амплитудное значение тока разряда снижает нагрузку на электроды, увеличивая их срок службы.

Однако реализовать указанный режим возбуждения продольного дугового разряда низкого давления не удавалось. Как правило, накачка дугового разряда по существу прямоугольными импульсами с малой скважностью (G<2) приводит к существенному уменьшению напряжения на разряде (по сравнению с синусоидальной накачкой) и КПД генерации резонансого излучения не увеличивается. Необходимо также учитывать, что при одинаковой амплитуде напряжения на разряде при малой скважности по существу прямоугольных импульсов средняя за период температура электронов выше, чем при синусоидальной накачке, и, таким образом, доля упругих потерь (в расчете на «один электрон») также выше.

Авторам заявляемого технического решения экспериментально удалось определить интервал условий, при которых возбуждение разряда по существу прямоугольными импульсами с малой скважностью проходит при практически том же напряжении, что и при высокочастотной синусоидальной накачке. Как установлено авторами, необходимо, чтобы длительность отдельного импульса накачки была короче, чем эффективное (с учетом перепоглощения излучения и перемешивания резонансных и метастабильных уровней электронами разряда) время жизни излучающего резонансного состояния. В указанных условиях, очевидно, длительность интервала между последовательными импульсами разной полярности также не превосходит эффективное время жизни излучающего резонансного состояния.

Время жизни излучающего резонансного состояния может быть определено как решением соответствующих уравнений переноса излучения и кинетики возбужденных уровней атома металла, так и экспериментально - путем измерения временной зависимости мощности излучения лампы на парах металлов при «резком» выключении накачки или же, измеряя вариации излучения за период накачки.

Для дуговых ртутных ртутных ламп типичное эффективное время жизни резонансого уровня 6³P₁ составляет 10÷20 мкс (реабсорбция излучения здесь существенна, поскольку спонтанное время жизни этого уровня составляет ~0,1 мкс), для дуговых натриевых ламп типичное эффективное время жизни дублета составляет 5÷10 мкс.

Использование более длинных импульсов накачки приводит, как указано выше, к снижению напряжения на разряде (и эффективности возбуждения). Аналогично, использование близкой к 1 скважности, то есть быстрое переключение направления тока практически без промежутка между импульсами разной полярности оказалось эквивалентно непрерывному режиму накачки с присущим ему падением межэлектродного напряжения и эффективности возбуждения. В свою очередь, использование близкой к 2 скважности по существу прямоугольных импульсов создает близкий к синусоидальному режим возбуждения с такой же или даже несколько меньшей эффективностью.

Таким образом, длительность отдельного по существу прямоугольного импульса возбуждения дугового разряда в ртутной лампе низкого давления составляет не более 12÷15 мкс, предпочтительно 3÷7 мкс, поскольку генерация более коротких импульсов с соответствующим укорочением фронтов уже не дает преимуществ, но представляет более сложную техническую проблему. В натриевой лампе низкого давления длительность отдельного по существу прямоугольного импульса возбуждения составляет не более 7÷10 мкс, предпочтительно 3÷5 мкс. Предпочтительная скважность импульсов при этом составляет 1,4÷1,6.

Далее изобретение поясняется с помощью примера, которым изобретение однако не ограничено, со ссылками на прилагаемый чертеж. На чертеже показаны:

Фиг.1: общая форма импульсов возбуждения согласно изобретению; 1 - форма тока (напряжения) разряда, 2 (отрезок АА') - передний фронт импульса тока, 3 (отрезок КК') - задний фронт импульса тока, 5 (отрезок АВ) - промежуток времени между импульсами разной полярности, 6 (отрезок CD) - длительность отдельного импульса возбуждения (по полувысоте).

Исходя из обозначений фиг.1 скважность импульса G=AB/CD, причем для импульсов с короткими фронтами, когда АА', КК' << AK (A'K'), некоторый произвол в определении длительности не точно прямоугольного импульса не приводит к существенному изменению величины скважности. Например, для импульса, имеющего форму равнобедренной трапеции с АА'=KK'=0,04·AK, при величине определенной «по основанию» скважности 1,5, скважность, определенная «по полувысоте» (G=AB/CD), составит около 1,57 (различие менее 5%).

Пример.

Амальгамная ртутная лампа с межэлектродным расстоянием 106 см возбуждалась продольным электрическим разрядом в двух режимах: высокочастотной синусоидальной накачки на частоте около 31 кГц и накачки согласно изобретению.

Длительность отдельного по существу прямоугольного импульса составляла 4,2 мкс по полувысоте при длительности фронтов нарастания и падения тока (напряжения) не более 0,15 мкс. Частота генерации импульсов одной полярности составляла 80 кГц, что соответствует скважности ≈1,5. Давление инертных газов смеси Ne/Ar=30%/70% составляло ~220 Па.

Для обоих режимов накачки подбиралось оптимальное давление паров ртути, которое составляло около 1 Па и было несколько выше для синусоидальной накачки, при которой рабочая температура используемой амальгамы составляла около 102-104°C, для накачки согласно изобретению оптимальная температура амальгамы составляла 96-98°C.

Используемый для регистрации сигналов осциллограф позволял определять значения тока, напряжения и мощности излучения на λ=254 нм каждые 0,06 мкс. Мощность накачки определялась интегрированием мгновенного значения вкладываемой в разряд мощности, аналогично определялась средняя мощность излучения.

При мощности синусоидальной накачки ≈205 Вт и амплитуде напряжения на разряде 134÷135 В (амплитуда тока около 3,15 А) измеренная мощность излучения составила ≈74 Вт, что соответствует КПД ртутной лампы около 36%. При переходе к накачке по существу прямоугольными импульсами с указанными выше параметрами и амплитудой напряжения 132÷134 В мощность излучения составила ≈73÷74 Вт (амплитуда тока ≈2,1 А) при мощности накачки около 181 Вт, что соответствует КПД ≈40,7% (рост на ~13% по сравнению с высокочастотной синусоидальной накачкой). Вариация мощности излучения за период в варианте заявляемого технического решения не превышает ±5% по сравнению с ±30% при высокочастотной синусоидальной накачке.

При увеличении длительности по существу прямоугольного импульса до 10 мкс при сохранении скважности импульсов около 1,5 (частота генерации импульсов одной полярности ≈33,5 кГц) рост КПД амальгамной ртутной лампы по сравнению с синусоидальной накачкой не превысил ~3%, при этом амплитуда напряжения в импульсе уменьшилась до ≈130 В, а вариации интенсивности света за период выросли до ±20%.

В результате применения заявляемого технического решения для возбуждения дуговым разрядом мощной ртутной лампы низкого давления мощность излучения, равная мощности излучения при синусоидальной накачке высокой частоты, достигается при том же напряжении на разряде и уменьшении амплитуды тока (и концентрации электронов) на ≈35%, что позволяет существенно увеличить ресурс трубки, а также ресурс электродов одновременно с увеличением эффективности генерации резонансного излучения в 1,1÷1,15 раза.

Необходимо также отметить, что при меньшей концентрации электронов/ионов в плазме разряда согласно заявляемому изобретению возможно снизить давление газа в ртутной лампе низкого давления, поскольку ионный поток на стенку пропорционален произведению концентрации ионов на коэффициент их (амбиполярной) диффузии. Как известно, эффективность и мощность ртутной лампы возрастают при уменьшении давления инертных газов, что позволяет дополнительно повысить КПД и мощность дуговой ртутной лампы согласно заявляемому изобретению без уменьшения ее ресурса

Таким образом, авторами настоящей заявки на патент реализованы оптимальные с точки зрения КПД и ресурса условия генерации резонансного излучения дуговой лампой низкого давления на смеси инертных газов с парами металлов, возбуждаемой продольным электрическим разрядом. Предложенные технические решения также позволяют увеличить ресурс работы электродов, защитного покрытия и лампы в целом. Заявляемые условия возбуждения существенно отличаются от используемых в настоящее время и более того, опровергают утверждение, что синусоидальный режим накачки на частоте несколько десятков килогерц является оптимальным и эффективнее, чем использование квазипостоянного тока ([3], [5]: Drop P.C., Polman J. «Calculation on the effect of supply frequency on the positive column of a low-pressure Hg-Ar AC discharge». Joournal Physics D: Applied Physics, 1972, vol.5, p.562-568), что позволяет сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение удовлетворяет критериям «новизна» и «существенные отличия».

Для удовлетворения каких-либо возможных конкретных требований могут быть выполнены очевидные для квалифицированных специалистов в этой области изменения описанных выше вариантов возбуждения знакопеременным продольным электрическим разрядом высокой частоты смесей инертных газов с парами металлов по существу прямоугольными импульсами тока без отклонения от защищаемых формулой изобретения положений. В частности, заявляемое техническое решение применимо также для ламп на парах металлов с нецилиндрической формой разряда (излучающего объема), измененным составом (соотношением компонент) и/или давлением газовой смеси и т.д.

1. Способ генерации излучения на резонансных переходах атомов металлов в дуговом разряде низкого давления, включающем возбуждение знакопеременным продольным электрическим разрядом высокой частоты смесей инертных газов с парами металлов, отличающийся тем, что возбуждение разряда проводится, по существу, прямоугольными импульсами тока со скважностью не более 2,0 и длительностью не более эффективного времени жизни резонансного состояния излучающего атома металла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что возбуждение разряда проводится, по существу, прямоугольными импульсами со скважностью в интервале 1,3÷1,7, предпочтительно 1,4÷1,6.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что атомы металла представляют собой атомы ртути и длительность отдельного, по существу, прямоугольного импульса тока одного направления составляет не более 12 мкс, предпочтительно 3÷7 мкс.