B24 Исследование эксплуатационных характеристик эксиламп барьерного разряда, содержащих хлор

Соснин Э.А., Авдеев С.М., Тарасенко В.Ф., Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск

Скачать доклад в .pdf | Читать комментарии и вопросы

Проблема срока службы эксиламп, содержащих агрессивный, способный реагировать с кварцевой стенкой колбы, компонент рабочей среды - галоген хлора -изучается уже несколько лет и впервые была поставлена нами в [1]. В [2] нами был предложен механизм ухода хлора из разрядного объёма колбы эксиламп - гетерофазная реакция взаимодействия атомарного хлора с кварцевой решеткой с образованием полимерных продуктов хлорсилоксанов SinOnCl2n(тв). За рубежом задачу увеличения срока службы XeCl- и KrCl-эксиламп решают, используя дополнительную полость с хлором, которую, когда мощность излучения прибора падает, вскрывают, используя магнитный затвор. В настоящей работе мы использовали два других, более простых подхода. Исследования проводились для коаксиальных эксиламп барьерного разряда, которые заполнялись рабочими смесями Xe(Kr)-Cl2.

Первый подход состоял в увеличении буферного объема колбы, заполненного рабочей смесью, или в уменьшении области, в которой происходит разряд. Для этого уменьшали длину электродов 1 и 4 (рис. 1).


Рисунок 1. Конструкция коаксиальной эксилампы барьерного разряда
1 - металлическая фольга (отражатель и электрод); 2 - кварцевая колба (внутренняя часть); 3 - кварцевая колба (внешняя часть); 4 - внешний перфорированный электрод; 5 -объем с рабочей смесью; 6 - источник питания. Стрелками показано направление вывода излучения

Второй подход заключался в том, что использовались рабочие смеси, в которых содержание галогена было увеличено - так, чтобы при этом мощность излучения была примерно на 20 % меньше, чем для оптимальной рабочей смеси.

Первый подход позволил нам существенно увеличить срок службы эксилампы. При двукратном увеличении буферного объёма колбы мощность излучения эксилампы упала за 900 ч всего на 8 %, а в стандартной конфигурации более чем два раза. К настоящему времени эксилампа с увеличенным буферным объёмом  отработала 5200 ч без заметного спада мощности излучения.

Второй подход позволил довести срок службы рабочей среды до нескольких тысяч часов. При значительном увеличении начальной концентрации хлора в смеси, зависимость интенсивности излучения может иметь нетипичный для газоразрядных приборов вид (рис. 2). Растущий характер зависимости объясняется тем, что при выгорании галогена из смеси соотношение между инертным газом и галогеном приближается к оптимальному в течении 3700 ч, после чего значение интенсивности излучения выходит на насыщение. К настоящему времени эта эксилампа отработала 7200 часов.


Рисунок 2. Ресурсные испытания XeCl-эксилампы с увеличенным содержанием галогена в смеси

Таким образом, применяя простые решения, удалось существенно увеличить сроки службы хлорсодержащих KrCl- и XeCl-эксиламп барьерного разряда.

Следует отметить, что c увеличением энерговклада в колбу эксилампы растёт тепловая нагрузка на кварцевую стенку. Описанный выше эксперимент с XeCl-эксилампой проводился в условиях, когда удельный средний энерговклад на стенку коаксиальной кварцевой колбы не превышал 0.25 Вт/см2. В этом случае для обеспечения ресурса использовалось воздушное охлаждение колбы через её торец.

При увеличении температуры растёт скорость реакции атомарного хлора с кварцевой стенкой (закон Аррениуса). Поэтому необходимо было провести испытания в условиях повышенных энерговкладов. Для этого были взяты две коаксиальные KrCl-эксилампы барьерного разряда, имеющие диаметр внешней трубки - 4 см и внутренней - 2 см, в условиях, когда средний удельный энерговклад на стенку составлял 0.8 Вт/см2, т.е. был более чем в три раза выше, чем в предыдущих испытаниях.

Излучатели отработали около 1800 ч, результаты испытаний представлены на рис. 3. Эти эксилампы не имели буферного объёма. В результате испытаний внутренняя трубка эксилампы покрылась матовым налётом из продуктов хлорсилоксанов с той стороны, где стенка контактировала с газовой смесью. Был проведён анализ модифицированного таким образом кварца. Методом наноидентирования (при помощи нанотвердомера “Nano Hardness Tester”, CSEM) определена толщина модифицированного слоя, которая составила примерно 1000 нм. Рентгенофлуоресцентный анализ модифицированной поверхности (при помощи спектрометра Quant’X) выявил в ней пики хлора, которых в необработанном кварце нет.

Прозрачность модифицированного кварца УФ-диапазоне спектра упала в разы. На рис. 4 дан спектр пропускания кварца внутренней трубки до (рис. 4-1) и после испытаний (рис. 4-2) в месте максимальной потери прозрачности (матовый налёт был неоднородным). Этот налёт можно было отскрести от трубки, но полного восстановления прозрачности трубки добиться было нельзя, что согласуется с данными наноидентирования - слой модифицированного кварца достаточно большой. Несколько меньше изменилась прозрачность внешней трубки (рис. 4-3), которая охлаждалась лучше и имела в среднем меньшую тепловую нагрузку, чем внутренняя трубка.


Рисунок 3. Ресурсные испытания двух KrCl-эксиламп с увеличенным удельным энерговкладом


Рисунок 4. Спектр пропускания кварца
1 - до испытаний; 2 - внутренней трубки после испытаний; 3 - внешней трубки после испытаний

Разница между потерей прозрачности внутренней и внешней трубок свидетельствует, что температура стенки существенно влияет на деградацию рабочей смеси. Это соответствует представлению о том, что реакция образования хлорсилоксанов SinOnCl2n(тв) идёт активнее в зоне с более высокой температурой: температура внутренней стенки разогретой эксилампы составляла ~ 150 0C, а внешней ~ 100 0C. Следовательно, эксплуатировать излучатели эксиламп в условиях повышенных энерговкладов необходимо применяя более интенсивное внутреннее охлаждение, например, водяное. Использование рабочих смесей, в которых содержание галогена искусственно увеличено, как правило, не даст результата при больших мощностях возбуждения. Если не интенсифицировать охлаждение, потеря прозрачности кварца неизбежно приведёт к снижению мощности излучения эксилампы.

Таким образом, применяя простые решения удалось существенно увеличить полезные сроки службы хлорсодержащих KrCl- и XeCl-эксиламп, барьерного разряда.

Работа выполнена при финансовой поддержке МНТЦ (грант №3583) и РФФИ (грант №09-08-99080 р_офи)

Литература:

  1. Соснин Э.А., Ерофеев М.В., Лисенко А.А., Тарасенко В.Ф., Шитц Д.В. Исследование эксплуатационных характеристик эксиламп емкостного разряда // Оптический журнал. 2002. Т.69. №7.  С.77-80.
  2. Ерофеев М.В., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф. О причинах снижения мощности излучения KrCl-эксиламп барьерного разряда в процессе работы // Известия вузов. Физика. 1999. Т.42. №4. С.68-72.

Тематика:

Возможность добавлять комментарии отключена в связи с окончанием конференции.

 

Российская светотехническая интернет-конференция, 2009 г.
© Межрегиональное светотехническое общество
© Коллектив авторов
22 queries. 0.084 seconds.