О давлении наполнения
газосветных ламп
газосветных ламп
Твердохлеб Алексей
Вопрос о том, каким должно быть давление наполнения "неоновых" ламп - один из самых запутанных в неоновом производстве. Я не нашел в рунете внятного пояснения. Везде представлены таблицы рекомендуемых значений давления, но физика процессов не разъясняется. Казалось бы, следуй рекомендациям, и нет проблем. Но таблицы составлены зарубежными производителями под свои условия производства и климат. А любой неонщик хотел бы знать, что к чему. Поэтому в этой заметке я представлю то, что мне удалось понять.
Что зависит от давления наполнения? Давление наполнения определяет падение напряжения на лампе и ее долговечность. Зависимость напряжения на лампе от давления газа в ней подчиняется закону Пашена и показано на рисунке.
Как видно из рисунка, существует давление Р1, при котором напряжение на лампе наименьшее (Umin точка С на рисунке). Это означает, что на один трансформатор можно повесить лампы наибольшей суммарной длины, то есть съэкомомить на количестве трансформаторов в неоновой вывеске. Однако, радость жизни портит то обстоятельство, что при работе лампы ее электроды постоянно поглощают газ наполнения (работают как адсорбционный насос). То есть в процессе эксплуатации давление в колбе лампы постоянно понижается. Поэтому давление наполнения делают больше, чем Р1 (Popt, точка В на рисунке).
Выбор давления наполнения Popt есть результат компромисса между экономичностью и долговечностью.
Теперь посмотрим, что влияет на интенсивность поглощения газа наполнения электродами. При работе электроды подвергаются бомбардировке ионами (заряженными атомами) газа наполнения. Этот процесс сопровождается распылением катодов и поглощением (расходованием) атомов газа. Интенсивность бомбардировки тем больше, чем ниже давление газа, выше плотность тока и выше прикатодное падение напряжения. При низком давлении ионы меньше соударяются друг с другом и имеют возможность ускоряться электрическим полем до бОльших скоростей. Таким образом, понижение давления в лампе способствует бомбардировке электродов и поглощению газа, то есть дальнейшему понижению давления. Износ электродов в процессе бомбардировки и воздействия на них загрязнений приводит к увеличению прикатодного падения напряжения и из-за этого к еще более интенсивной бомбардировке ионами.Это ускоряет понижение давления и т.д. Лампа ускоренно изнашивается, идет "вразнос".
Чтобы снизить прикатодное падение напряжения в настоящее время применяют так называемые активированные электроды. Это полые металлические катоды, покрытые специальным составом, имеющим низкую работу выхода (то есть легко испускающим электроны). Активирующий слой очень сильно (раза в два) снижает прикатодное падение напряжения, что делает лампу экономичнее и уменьшает интенсивность бомбардировки электродов при эксплуатации. При расчете электрической длины ламп именно прикатодное падение напряжения учитывают добавлением условной длины в 0,5 метра на каждую пару электродов.
Основным недостатком таких электродов является сильная чувствительность к действию загрязнений (особенно органических) и к превышению допустимого рабочего тока. Активирующее покрытие на поставляемых производителями электродах не сформировано и нуждается в дополнительной термообработке в вакууме (активации). Вот почему режимы прожига лампы при вакуумной обработке имеют сильное влияние (негативное) на ресурс электродов. Существующую технологию прожига ламп технолог В. Г. Марков называет варварской.
Прожиг ламп производят в два этапа:
- Вначале прогревают стекло колбы до 300 град., промывают неоном, отжигают кислородом воздуха. Цель одна - полное удаление загрязнений. При этом для предотвращения преждевременной активации электроды не должны перегреваться (чего часто не удается избежать).
- На втором этапе прогревают разрядом электроды до 1000 град. (красного каления). При этой температуре химико-физические реакции в покрытии электродов и делают его активным. В этот момент покрытие электродов наиболее уязвимо к повреждению, как от загрязнений, так и от воздействия самого рабочего газа. Происходит "отравление" эмиссионного активированного слоя катодов, радикальное снижение его ресурса. По уму, эту операцию следовало бы делать в вакууме с помощью индукционного нагрева.
- Далее необходимо, пока трубка горячая, как можно быстрее откачать остаточные газы до максимального вакуума и наполнить рабочим газом до нужного давления. Необходимо заметить, что после остывания трубки, давление наполнения понизится. Поэтому необходимо предусмотреть превышение этого давления, учитывающее расширение газа при нагревании.
- При тренировке окончательно формируется эмиссионное покрытие катодов, остаточные вредные газы взаимодействуют с поверхностями внутри лампы, приводя к быстрому ее старению. Если лампа не имеет течей и хорошо обезгажена при прожиге, происходит стабилизация ее параметров (точка В на рисунке).
Почему лампы меньшего диаметра наполняют до большего давления?
Чтобы увеличить их ресурс до приемлемого уровня, так как в них отношение объема газа к скорости его поглощения электродами изначально ниже, чем в лампах большого диаметра.
Каким образом давление наполнения влияет на работу газосветных ламп при низких температурах?
Больше всего низкие температуры влияют на работу аргоновых ламп с парами ртути. Дело в том, что давление паров ртути очень сильно зависит от температуры. По сути, это люминесцентные лампы с холодным катодом. Аргон (или неоно-аргоновая смесь) является в них вспомогательным наполнением. Его назначение - поддержание разряда и подогрев лампы и паров ртути, которые излучают ультрафиолетовый свет, который падает на люминесцентное покрытие колбы, которое и светится. Таким образом, чтобы заставить такую лампу работать в мороз, надо увеличить ее нагрев (в ущерб экономичности). Повысить давление наполнения вспомогательного газа, увеличить рабочий ток и, соответственно, применить более мощные электроды и трансформатор, применить трубки большего диаметра (как меньше подверженные охлаждению), теплоизолировать лампы (закрытый неон).
Как можно заметить, иногда изготовление качественных ламп может быть затратным и неблагодарным делом.
Сайт el-bombarder.narod.ru
март 2004
