close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

678

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Определяющие факторы ресурса
бактерицидных ртутных ламп низкого
давления
Л.М. ВАСИЛЯК, Л А. ДРОЗДОВ, С.В. КОСТЮЧЕНКО, Н.Н. КУДРЯВЦЕВ,
Д.В. СОКОЛОВ 1
ЗАО «НПО «ЛИТ», ОИВТ РАН, Москва; МФТИ (ГУ), Московская обл.
Известно, что УФ бактерицидное
излучение широко применяется для
обработки воды, воздуха и поверхностей. При этом наиболее эффективен диапазон длин волн 250–270 нм,
и, соответственно, широкое распространение получили бактерицидные УФ ртутные лампы НД (РтЛНД),
в основном излучающие в линии ртути 253,7 [1,2].
Также известно, что удельная
мощность (Р1) обычных РтЛНД не
превышает 0,5 Вт/см, иначе из-за перегрева стенки колбы давление паров ртути в лампе оказывается слишком велико для эффективного излучения в линии 253,7 нм. Поэтому
при более высоких Р1 в РтЛНД используют амальгаму, что позволяет
поддерживать оптимальное давление паров ртути в некотором диапазоне повышенных температур стенки колбы [3] и повышает экологичность РтЛНД.
Физический срок службы РтЛНД
в основном определяется ресурсом
работы электродов, а их полезный
срок службы – скоростью спада потока бактерицидного УФ излучения
в ходе эксплуатации. Последнее обусловлено модификацией внутренней
поверхности колбы ламп под воздействием разрядной плазмы, снижающей прозрачность колбы [4,5]. И реальна ситуация, когда такое снижение происходит значительно быстрее износа электродов.
Заметим, что изначально для питания мощных РтЛНД преимущественно использовались сетевое питание с частотой 50–60 Гц и стартёрный ПРА. При таких условиях разряд
гаснет и зажигается каждый полупериод, что негативно сказывается на
сроке службы электродов и приводит
к пульсации излучения. В последние
годы для питания таких ламп применяют ЭПРА с частотой тока до нескольких десятков килогерц, что зна1
8
E-mail: lit@npo.lit.ru
чительно повышает ресурс работы
электродов [6]2.
Известны также безэлектродные
конструкции РтЛНД с ВЧ или СВЧ
разрядом НД, в том числе с ВЧ разрядом трансформаторного типа [7]. Разработчики безэлектродных РтЛНД
утверждают, что отсутствие электродов обеспечивает им существенный выигрыш по сроку службы. Однако это возможно только тогда, когда скорость износа электродов выше
скорости модификации внутренней
поверхности колбы лампы. Эта модификация определяется потоком
ионов в процессе амбиполярной диффузии, которая и в электродных разрядах НД, и в безэлектродных трансформаторного типа происходит одинаковым образом.
При этом при работе кварцевых
электродных амальгамных РтЛНД
с Р1 = 1,5–3,5 Вт/см поток излучения
в линии 253,7 нм снижается вдвое
за 3–4 тыс. ч горения при разрядном токе 2 А и внутреннем диаметре
колбы 16,6 мм [4]. Это обусловлено
снижением пропускания колбы лампы [5]3. Между тем время горения таких РтЛНВД до полного износа элек2
При этом концентрация заряженных частиц плазмы постоянно поддерживается
на высоком уровне, и потому не требуется зажигание разряда каждый полупериод.
Это значительно снижает эрозию электродов, поскольку она в основном происходит
в режимах пробоя, зажигания тлеющего
разряда и перехода тлеющего разряда в
дуговой.
3
Стоит отметить, что кварцевую колбу лампы можно восстанавливать практически
до первоначального уровня пропускания
(«просветлять») нагреванием колбы газовой горелкой до 700-800 °С. Однако при
включении разряда «просветлённая» колба
через 5-10 мин темнеет, и уровень пропускания снижается до значения, наблюдаемого до обработки горелкой. Потемневшая
колба становиться более хрупкой, нежели
исходная трубка из кварцевого стекла, что
может свидетельствовать о глубокой модификации поверхности.
тродов может достигать 20 тыс. ч
(при оптимально подобранных составе и давлении газовой смеси, конструкции электродных узлов, разрядного тока и размеров колбы).
Существенно повышает полезный
срок службы РтЛНД защитное покрытие внутренней стороны колбы.
Например, РтЛНД с указанным покрытием из оксидов металлов обладает малой скоростью спада уровня
бактерицидного УФ излучения – около 30 % после 8–12 тыс. ч горения [4],
зависящей от толщины, наличия дефектов и химического состава защитного покрытия.
Исследование свойств этих покрытий существенно затрудняется тем,
что длительность экспериментальных испытаний при непрерывном горении РтЛНД чрезвычайно велика:
8–12 тыс. ч и более. Её можно сократить исследованием разряда в смесях
инертных газов неон-аргон без паров
ртути [5]. Однако при воздействии
на кварцевую колбу разряда в смеси неон-аргон при давлении около
0,5 мм рт. ст. происходят выделения
в разряд, что ведёт к повышению напряжения на лампе и погасанию разряда. Показано, что применение защитного покрытия существенно снижает скорость роста напряжения на
экспериментальной лампе и, соответственно, скорость этих выделений.
Основным недостатком данной методики является существенное отличие плазмы разряда в неон-аргоновой
смеси от плазмы с малой добавкой
паров ртути в этот разряд4. Таким образом оценка свойств защитного покрытия в лампе без ртути не всегда
адекватна результатам при использовании данного покрытия в условиях
разряда, содержащего ртуть.
Анализируя разряды при наличии
паров ртути и без них с точки зрения
их воздействия на внутреннюю стенку колбы, можно заключить, что модификация поверхности кварцевого стекла колбы происходит всегда,
причём в случае разряда в инертных
4
В разряде, содержащем ртутные пары, в
основном ионизируются атомы ртути, так
как у ртути существенно меньший потенциал ионизации, чем у инертных газов.
Атомы и ионы ртути обладают большей
массой и меньшей подвижностью в плазме, чем атомы и ионы инертных газов.
В присутствии ртути могут происходить
плазмохимические процессы взаимодействия ртути с защитным покрытием, отсутствующие в плазме инертных газов.
«СВЕТОТЕХНИКА», 2008, № 6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
газах выделения из стенки колбы попадают в разряд, меняя его свойства,
а при добавке малого количества ртути эти выделения связываются и влияния на разряд не оказывают, оставаясь, видимо, на стенке и снижая её
пропускание. Похожие данные получены и для ЛЛ [8], но при меньших
Р1 (менее 1 Вт/см) и, естественно,
некварцевой колбе. И заметим, что
в ЛЛ внутренняя сторона колбы частично защищена слоем люминофора, а поскольку ЛЛ обычно – источник видимого излучения, снижение
прозрачности стенки в бактерицидном УФ диапазоне на световой отдаче ЛЛ не сказывается.
При наличии защитного покрытия
внутренней стороны кварцевой колбы разрядная плазма сначала разрушает его или формирует в нём поры,
после чего, получая доступ к колбе, производит модификацию её
поверхности.
Нами была исследована средняя
часть внутренней поверхности кварцевой колбы РтЛНД без защитного покрытия после 13 тыс. ч горения
при токе 2 А и примерно 50 циклах
включения-выключения. При этом
наружный диаметр и толщина стенки колбы – 19 и 1,2 мм соответственно, межэлектродное расстояние –
1,44 м, поток излучения в бактерицидной области – 25 % от начального и внутренняя поверхность колбы
имела ярко выраженный коричневый
налёт.
На рис. 1 хорошо просматривается увеличение характерного размера
неровностей и неоднородностей поверхности колбы после длительного
воздействия на неё плазмы разряда
НД. Атомный состав приповерхностного слоя внутренней стороны колбы,
толщина которого 5–10 мкм, после
13 тыс. ч горения РтЛНД в указанном режиме определялся аналитическим блоком электронного микроскопа. Как видно из рис. 2, кроме ртути присутствия других посторонних
элементов (атомы кремния и кислорода входят в состав кварцевого стекла колбы) не обнаружено. Таким образом, в приповерхностном слое не
обнаружено атомов, входящих в состав электродов. Следовательно, распыление электродов не служит причиной потемнения внутренней стороны колбы и соответствующего снижения пропускания бактерицидного УФ
излучения.
«СВЕТОТЕХНИКА», 2008, № 6
Рис. 1. Фотографии участков внутренней стороны колбы кварцевой ртутной лампы НД
при наличии (а) и отсутствии (б) защитного покрытия при 0 ч (вверху) и после (внизу)
13 тыс. ч горения лампы
Кроме того, как следует из таблицы, испытуемый образец обеднён
кислородом (О) относительно диоксида кремния (SiO2). Иначе при содержании Si 38,8 % содержание кислорода должно было бы быть 61,2 %.
Это свидетельствует о возможной реакции замещения атомов кислорода
атомами ртути.
Итак, нами показано, что при работе кварцевых РтЛНД происходит связывание атомов ртути на внутренней
стороне колбы, что приводит к существенному снижению пропускания
излучения в ртутной линии 253,7 нм
стенкой колбы. Полезный срок службы РтЛНД определяет только временной спад потока бактерицидного
УФ излучения. После 13 тыс. ч горения кварцевой амальгамной РтЛНД
с Р1 = 1,7 Вт/см в приповерхностном
слое внутренней стороны её колбы
не обнаружено никаких элементов,
входящих в состав электродов (с ок-
Рис. 2. Спектрограмма
элементного состава
приповерхностного
слоя внутренней
стороны колбы
кварцевой ртутной
лампы НД при
отсутствии
защитного покрытия
после 13 тыс. ч
горения лампы
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Таблица
Атомный состав элементов в образце кварцевой колбы
лампы, отработавшей 13000 ч
Химический элемент
Атомный процент, %
Стандартное отклонение, %
Кислород
60,96
1,7
Кремний
38,76
0,6
Ртуть
0,28
13,3
сидным активатором). Этот слой содержит только кислород, кремний
и ртуть. Поэтому потемнение стенки
кварцевой колбы не зависит от наличия электродов и определяется только влиянием плазмы положительного столба разряда. Следовательно, переход на безэлектродное исполнение
существенного повышения полезного срока службы РтЛНД дать не может (из-за потемнения стенок колбы).
Повышение срока службы кварцевых
РтЛНД достижимо путём совершенВасиляк Леонид
Михайлович, доктор
физикоматематических наук,
профессор. Окончил
МФТИ. Главный научный
сотрудник ОИВТ РАН
ствования защитного покрытия внутренней стороны колбы этих ламп.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Справочная книга по светотехнике. /
Под редакцией Ю.Б. Айзенберга. – М.: Знак,
2006. – 972 с.
2. Анализ современных промышленных источников бактерицидного УФ излучения /Васильев А.И., Красночуб А.В., Кузьменко М.Е.,
Петренко Ю.П., Печёркин В.Я. // Светотехника. – 2004. – № 6. – С. 42–45.
3. О методе определения давления пара
ртути амальгам сложных систем для люминес-
центных ламп /Дадонов В.Ф., Козин Л. Ф., Мещеряков Ю. А., Нигметова Р. Ш., Федоренко А.
С. // Светотехника. – 1978. – № 12. – С. 6.
4. Влияние защитного слоя на длительность
горения и излучение кварцевых газоразрядных
ламп низкого давления /Васильев А.И., Василяк Л.М., Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н.,
Кузьменко М.Е., Печёркин
В.Я. //Письма
в ЖТФ. – 2006. – Т. 32, Вып. 1. – С. 83–88.
5. Исследование влияния защитного слоя
на параметры кварцевых газоразрядных ламп
низкого давления с оксидными электродами /
Васильев А. И., Василяк Л. М., Костюченко С.
В., Кудрявцев Н. Н., Кузьменко М. Е., Печёркин В. Я.//Электронная обработка материалов. – 2007. – № 1. – С. 63–67.
6. Уэймаус Д. Газоразрядные лампы. – М.:
Энергия, 1977. – 344 с.
7. Индукционная ультрафиолетовая лампа /
Исупов М. В., Кротов С. В., Литвинцев А. Ю.,
Уланов И. М.// Светотехника. – 2007. – № 5. –
С. 37–40.
8. Doughty, D.A., Wilson, R.H., Thaler, E.G.
Mercury-glass interaction in fluorescent lamps //J.
Electrochem. Soc., – 1995. – Vol. 142, № 10. – P.
3542–3551.
Костюченко
Сергей
Владимирович,
кандидат физикоматематических наук.
Окончил МФТИ.
Генеральный директор
ЗАО «НПО «ЛИТ»
Соколов Дмитрий
Владимирович,
кандидат технических
наук. Окончил МЭИ (ТУ).
Начальник
светотехнической
службы ЗАО
«НПО «ЛИТ»
Дроздов Леонид Александрович,
Кудрявцев Николай Николаевич,
физик. Окончил МГУ им. М.В. Ломоносова
(физический факультет). Заведующий
светотехнической лабораторией
ЗАО «НПО «ЛИТ»
доктор физико-математических наук,
профессор. Окончил МФТИ. Ректор МФТИ
(ГУ)
Поздравляем с юбилеем!
Ðåäàêöèÿ, ðåäêîëëåãèÿ æóðíàëà, ñîòðóäíèêè êàôåäðû «Ñâåòîòåõíèêà» ÌÝÈ (ÒÓ) è
ó÷åíèêè îò âñåãî ñåðäöà ïîçäðàâëÿþò äîöåíòà êàôåäðû, êàíäèäàòà òåõíè÷åñêèõ íàóê
Александра Александровича Васьковского
с 60-летием
è æåëàþò åìó çäîðîâüÿ, òâîð÷åñêèõ óñïåõîâ è âñåãî ñàìîãî õîðîøåãî.
Ðåäàêöèÿ, ðåäêîëëåãèÿ, äðóçüÿ, êîëëåãè
10
«СВЕТОТЕХНИКА», 2008, № 6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
8
Размер файла
692 Кб
Теги
678
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа