 |
 |
 |
 |
Главное назначение катода состоит в том, чтобы обеспечивать необходимое для поддержания разряда поступление электронов из катода в разрядный промежуток. Анод является приемником электронов, поступающих из разрядного промежутка в цепь.
Явления на катоде и в прикатодных частях разряда играют решающую роль для поддержания разряда. Они в значительной мере определяют форму разряда, его эффективность и срок службы лампы. Характер явлений на катоде и в прикатодных частях разряда зависит главным образом от механизма эмиссии электронов из катода и условий ее поддержания при зажигании и горении разряда, т. е. от формы и условий разряда.
В источниках света в зависимости от формы разряда используют холодные катоды в тлеющем разряде и горячие катоды в дуговом разряде.
Применение холодных катодов тлеющего разряда оправдано только в лампах тлеющего разряда, работающих от высокого напряжения, в которых падение напряжения около катода составляет незначительную долю от полного падения напряжения на лампе, или в лампах, для которых вопросы экономичности не играют роли.
В подавляющем большинстве источников света дугового разряда используются горячие катоды, электронная эмиссия которых состоит главным образом из термоэмиссии, увеличенной за счет ускоряющего поля у поверхности катода.
Как известно, плотность тока термоэмиссии резко возрастает с ростом температуры поверхности катода Гк и с уменьшением работы выхода ец>к:
4=ЛГк2ехр[-бфк/Гк].
В целях снижения работы выхода в лампах дугового разряда применяют, как правило, только активированные катоды.
В зависимости от условий разряда и свойств катода дуга в районе катода может принимать две резко различные формы: с так называемым катодным пятном и без него (см. § 9.3 и 9.4).
Нагрев катода в дуговом разряде до необходимой температуры может осуществляться либо от постороннего источника тока - катоды с независимым накалом, либо за счет энергии, выделяемой на электродах в процессе самого разряда, - самокалящиеся электроды. В источниках света дугового разряда применяются главным образом самокалящиеся электроды.
Явления на аноде имеют меньшее значение для поддержания разряда, но они важны с точки зрения эффективности и долговечности работы электродов и лампы, поскольку тепловой режим анода определяет скорость испарения материала, а в лампах переменного тока - также и тепловой режим электрода
в катодный полупериод, от которого зависят его эффективность и долговечность.
В лампах, работающих на переменном токе, а таких подавляющее большинство, электроды имеют, как правило, одинаковую конструкцию, поскольку каждый электрод попеременно с частотой питания становится то катодом, то анодом. При этом разработчикам приходится находить компромиссные конструктивные решения, обеспечивающие долговечную и по возможности оптимальную работу электродов и в качестве катода, и в качестве анода, причем как в рабочем, так и в пусковых режимах, несмотря на различие требований к каждому из этих режимов.
Исключительно важное значение для разработки эффективных и долговечных электродов имеют не только удачные конструктивные решения, но также и создание новых материалов и технологий. В этой связи следует отметить перспективные направления, основанные на создании так называемых спеченных (синтерированных) электродов, изготовляемых металлокерами-ческим методом, т. е. спеканием смеси порошков тугоплавких металлов с активирующими присадками, а также на применении полых электродов в дуговых разрядах как низкого, так и высокого дайлений.
Одной из наиболее важных характеристик электродов является их температура, поскольку она в значительной мере определяет механизм эмиссии и тип разряда, а также интенсивность процессов, от которых зависит режим работы электрода и его долговечность. Температура электродов определяется из их теплового баланса, в который неотъемлемой составной частью входят процессы в приэлектродных частях разряда. Они же в значительной мере определяют перенос атомов вещества электродов в приэлектродных областях и, таким образом, долговечность работы электродов и ламп.
В следующих параграфах рассмотрены особенности этих процессов для основных типов разряда. Балансы энергии для характерных случаев ввиду практической важности выделены в отдельный параграф. Далее рассмотрены конструкции й особенности работы основных типов электродов. Ограниченность объема и обилие новых данных не позволили осветить вопросы с желаемой полнотой. Более подробное изложение можно найти в приводимом к главе списке литературы.
9.2. ПРИЭЛЕКТРОДНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ТЛЕЮЩИХ РАЗРЯДАХ
Катодные части тлеющего разряда. Качественно картина явлений в катодных частях тлеющего разряда выглядит следующим образом: электроны, испускаемые катодом, имеют настолько малые скорости, что не могут ни возбуждать, ни ионизовать атомы. Они должны пролететь определенное расстояние в электрическом поле, чтобы приобрести энергию, достаточную для
возбуждения, а затем для ионизации. Поэтому непосредственно перед катодом существует область, в которой нет свечения (астоново темное пространство). Оно появляется по мере того, как электроны приобретают в электрическом поле энергию, достаточную для возбуждения атомов (катодное свечение), при этом спектральные линии появляются в катодном свечении, считая от поверхности катода, по мере увеличения их потенциала возбуждения.
Возбуждение вызывает только небольшая часть электронов, а основная масса по мере удаления от катода продолжает ускоряться в электрическом поле так, что их энергия становится больше максимумов функций возбуждения и интенсивность свечения постепенно падает, но при этом начинается усиленная ионизация атомов. Вследствие появления положительных ионов, компенсирующих отрицательный заряд, напряженность поля на некотором расстоянии от катода падает. Появившиеся в области темного пространства вторичные электроны, а также первичные электроны, потерявшие энергию при ионизации и возбуждении, вследствие малой величины поля могут накопить только небольшую энергию. Там, где эта энергия будет близка к максимумам функций возбуждения, вновь появится свечение. Это область отрицательного или тлеющего свечения. Теряя постоянно энергию в тлеющем свечении, электроны уже ие могут производить возбуждения атомов, вследствие чего яркость тлеющего свечения по мере удаления от катода постепенно убывает, и наступает фарадеево темное пространство. При наличии стенок фарадеево темное пространство на некотором расстоянии переходит в столб.
Часть ионов, образующихся в тлеющем свечении, под действием электрического поля движется к катоду и там, перед катодом, образуется двойной слой пространственного заряда. Ускоряясь в этом слое, ионы падают на катод и передают ему часть своей энергии. За счет ионной бомбардировки происходит выход электронов из катода. Эффективность этого процесса невелика н определяется коэффициентом вторичной эмиссии yi - средним числом электронов, высвобождаемых в расчете на один ион. Значение yi тем больше, чем выше потенциал ионизации газа и чем меньше работа выхода; при энергиях Ионов в несколько сот электрон-вольт yi лежит в пределах 0,05-0,1.
Наряду с нонами на катод попадают метастабильные атомы и фотоны, которые, отдавая катоду свою энергию, тоже высвобождают вторичные электроны. Поэтому под коэффициентом вторичной эмиссии обычно понимают сумму Y=Y;-]-VM-bV4). которую относят к числу падающих на катод ионов.
Таким образом устанавливается замкнутый цикл перечисленных выше процессов, который поддерживает самостоятельный тлеющий разряд. В условиях равновесия для поддержания стационарного разряда каждый электрон, испущенный катодом, в среднем производит такое количество ионизации и возбуждений, которое необходимо для освобождения еще одного электрона из катода. Теорию катодных частей тлеющего разряда см. в [0.2], т. 2. Там же приведена библиография.
В условиях нормального тлеющего разряда при изменении силы тока катодное падение потенциала плотность тока на катоде и длина катодных частей разряда /к (от поверхности катода до границы тлеющего свечения) остаются постоянными до тех пор, пока свечение не покроет всей
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 [ 99 ] 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 239