Излучение ртутного разряда высокого давления

При повышении давления и плотности тока разряд становится все более эффективным. Повышение эффективности разряда связано с наличи­ем нерезонансного излучения. Вследствие относительно ма­лого потенциала ионизации ртути зажигание разряда при наличии аргона возможно при том давлении паров ртути, которое имеет место при нормальной температуре. По мере прохождения тока через газоразрядный промежуток стен­ки трубки нагреваются, что приводит к росту давления па­ров ртути. Когда температура стенки достигает температу­ры кипения ртути, она полностью испаряется и дальнейший рост давления ее паров становится пропорциональным средней температуре стенки. Конечное давле­ние, которого достигнут пары ртути в лампе, будет зави­сеть от количества ртути и тока; определяемого для газо­разрядной лампы параметрами балласта, т. е. давление паров ртути зависит от количества введенной в лампу ртути, рассеиваемой в лампе мощности, размеров ее кол­бы и условий охлаждения.

Для ртутного разряда высокого давления абсолютная темпера­тура разряда, при которой наступает температурное равно­весие и изотермическая плазма, приблизительно равна 5500К. Стягивание разряда является следствием высокой температуры на оси разряда при температуре стенки трубки около 1000 К.

Спектр излучения ламп высокого давления создается в результате перехода возбужденных атомов в нормальное состояние, рекомбинации электронов и ионов, а также соударения метастабильных атомов с их переходом в воз­бужденное состояние и последующим излучением фотонов. Главными особенностями излучения, на которые следует обратить внимание, так как они определяют способы использования разряда этого типа, являются наличие на­ряду с излучением в видимой области спектра значительно­го излучения в ультрафиолетовой области, в особенности в интервале длин волн 300…400 нм, и полное отсутствие излучения в красной области видимого спектра в интерва­ле длин волн 600…760 нм. Эти особенности излучения по­требовали при применении дугового разряда высокого давления для целей освещения прибегнуть к исправлению его цветности путём преобразования ультрафиолетового излучения в красное.

Наполняющие вещества

Для уменьшения напряжения зажигания разряда в лам­пы высокого давления, так же как и в люминесцентные, вводят некоторое количество инертного газа. Присутствие инертного газа уменьшает распыление катодов и положи­тельно влияет на срок службы ламп. Однако в отличие от ЛЛ инертный газ в лампах высокого давления играет и от­рицательную роль. Присутствие газа уменьшает скорость ионов в начальной стадии разогрева. По мере разгорания лампы влияние инертного газа становится отрицатель­ным из-за увеличения тепловых потерь. Это связано с тем, что теплопроводность всех инертных газов, кроме ксенона, больше, чем у ртути.

Так как уровни возбужденных атомов инертных газов выше, чем уровни возбуждения атомов ртути, энергия элек­тронов в основном не достаточна для возбуждения инерт­ного газа, поэтому его присутствие в лампах высокого давления приводит только к увеличению тепловых потерь.

В лампы высокого давления кроме инертных газов вво­дят другие добавки, которые влияют на излучение. В ча­стности, для улучшения цветопередачи ртутных ламп вы­сокого давления в них добавляют кадмий или цинк. У этих элементов энергетические уровни расположены ниже, чем уровни ртути, так что даже при сравнительно низких дав­лениях паров этих элементов появляется излучение их ли­ний.

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. Так как лампы рассчитаны на рабо­ту в сети переменного тока, то оба электрода одинаковы и выполняют 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.

Размеры кварцевой горелки выбирают исходя из пара­метров разряда, от которых зависит расстояние между электродами, и температурного режима, т. е. 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.