В процессе эксплуатации натриевых ламп высокого давления (НЛВД) происходит диффузионная утечка натрия из газоразрядного канала разрядной трубки в виде ионов. Следствием потери натрия из разрядной трубки (РТ) является ухудшение электрических и световых характеристик ламп и их преждевременный выход из строя. В связи с этим одной из актуальных проблем является прогнозирование продолжительности работы изготовленных НЛВД с целью исключения поступления к потребителю потенциально негодных ламп.
Поликристаллические трубки из оксида алюминия для НЛВД получают методом порошковой металлургии. Конечная структура трубок формируется в результате процессов: межзеренных прослоек, коэффициентом диффузии по границам зерен. Различные структуры поликристаллического оксида алюминия представлены на рис. 1.
Эти процессы зависят от чистоты исходного сырья и технологических факторов. Поэтому достаточно сложно получить стабильное воспроизведение процесса изготовления РТ.
Известно, что на диффузионную утечку натрия из поликоровой керамической оболочки РТ существенную роль оказывают «m» – размеры кристаллов, ширина «d» межзеренных прослоек и коэффициент диффузии натрия по границам зерен Dгр. Другие характеристики поликоровой оболочки РТ практически не влияют на утечку натрия. В частности, дислокации, как дефекты структуры, вызывают внутренние напряжения в образце, оказывают влияние на термостойкость трубки. Объемная пористость оболочки сказывается на светопропускании РТ [2].
а 
б
Рис. 1. Структура поликристаллического оксида алюминия: а – мелкозернистая; б – крупнозернистая
Ионный ток эмиссии натрия из РТ зависит от качества изготовленных трубок, связанных с соблюдением технических процессов производства НЛВД [4]. По найденным значениям параметров структуры «m», «d» и Dгр можно косвенно оценить качество РТ. Ниже в дополнении к [3] учтено влияние размеров «m» зерен, шириной «d» границ между зернами и коэффициента диффузии Dгр.
Зависимость тока утечки натрия из разрядной трубки от параметров структуры оболочки
Связь I ионного тока утечки натрия из РТ от эффективного коэффициента диффузии D равна [3]
(1)
где k – постоянная Больцмана; T1 – коэффициент пропорциональности; r1, r2 – соответственно внутренний и внешний радиусы РТ; Т0 – температура на оси РТ; l – длина разрядной трубки; А – атомный вес натрия; n0 – концентрация атомов натрия по сечению РТ; NA – число Авогадро; q – заряд иона натрия, MHg, MNa соответственно массы ртути и натрия содержащиеся в амальгаме; t – время; Т – температура холодной зоны; a, b – постоянные.
Эффективный коэффициент диффузии D, входящий в (1), связан с параметрами структуры оболочки РТ «a», «b» и коэффициентом диффузии натрия Dоб по объему и по границам зерен следующим выражением:
(2)
Так же как и в [2], учитывая, что для большего интервала температур 
, то для случая, когда оболочка РТ представляет собой поликристаллическую окись алюминия, первым слагаемым в выражении (2) можно пренебречь [1, c. 50]. Тогда:
(3)
Подставляя (3) в (1), окончательно получим
(4)
Анализ формулы (4) показывает, что ток положительных ионов натрия эмитируемых разрядной трубкой с течением времени снижается. Увеличение размера зерен «m», уменьшение ширины «d» границы между зернами и коэффициента диффузии Dгр приводит к уменьшению ионного тока с оболочки РТ.
Сопоставление расчетных и экспериментальных результатов
Экспериментальное подтверждение влияния параметров структуры оболочки трубки НЛВД на ток ионной эмиссии натрия из РТ осуществлялось в партии натриевых ламп типа ДНаТ-400. Партия состояла из пяти штук. Разрядные трубки дозировались ксеноном до давления 2,6 кПа и амальгамой натрия массой 2,4•10–5 кг, с 30 % содержания в ней натрия.
Дефектная партия РТ имела мелкозернистую недоспеченную структуру оболочки с размерами зерен от 5 до 60 мкм. Трубки этой партии имеют сравнительно высокое значение коэффициента диффузии. Усредненное значение коэффициента диффузии для партии ламп составляет 2,3•10–12 м2с–1. Разрядные трубки были наполнены амальгамой натрия, содержание которой составляло 0,6 ат. долей.
Контрольная партия РТ имела крупнозернистую структуру с размерами зерен от 40 до 100 мкм. Амальгама натрия содержала 0,72 ат. долей натрия. Усредненный коэффициент диффузии составлял 6•10–13 м2с–1.
Для тренировки РТ и для определения коэффициента диффузии натрия через их оболочку РТ помещались в вакуумную камеру. Камера, соединенная с омегатронным датчиком РМО-4С, откачивалась до вакуума 10–5 Па. Тренировка РТ осуществлялась на переменном токе частотой 50 Гц и при номинальной мощности разряда 400 Вт.
Коэффициент диффузии натрия через оболочку РТ определяется омегатронным датчиком РМО-4С масс-спектрометра ИПДО-4С [5]. Для этого разрядная трубка 1 монтировалась в стеклянной камере 2, к которой затем приваривается датчик 3 (рис. 2). Внутренний объем колбы откачивался магнитным электроразрядным насосом НОРД-250.
Трубка питается переменным током через разделительный трансформатор Тр. Стабилизация разряда в трубке осуществлялась дросселем Др. К датчику относительной газоразрядной плазмы прикладывалось ускоряющее электрическое поле. При работе лампы часть ионов натрия из общего потока, эмитируемого трубкой, поступает в рабочую камеру датчика.
Рис. 2. Схема для определения коэффициента диффузии натрия через оболочку разрядной трубки: 1 – разрядная трубка; 2 – камера; 3 – датчик РМО-4С
Коэффициент диффузии определяется по формуле
, (5)
где I0 – ток насыщения ионов натрия, регистрируемого датчиком РМО-4С; r1, r2 – соответственно внутренний и внешний радиусы трубки; N – концентрация ионов в трубке; q – заряд иона натрия; K0 – коэффициент передачи датчика для ионов натрия.
После определения коэффициента диффузии разрядные трубки монтировались в колбы ламп ДНаТ-400 и ставились для испытания. Ионный ток утечки натрия из РТ регистрировался с помощью внешнего электрода, расположенного на колбе лампы [6].
Для расчета тока эмиссии натрия из РТ брались следующие исходные данные: внешний диаметр РТ – 8,85•10–3 м; внутренний – 7,5•10–3 м; длина РТ – l = 0,075 м; а = 40; Т1 = 1,9•108 км–2; Т0 = 4120 К; Т = 923 К; n0 = 3,91•1023 м–3; q = 1,6•10–19 к; MHg = 1,89•10–5 кг; MNa = 5,1•10–6 кг.
В таблице приведены экспериментальные и расчетные значения измерения ионного тока натрия из РТ от времени работы лампы соответственно для дефектной и контрольной партий.
|
Данные |
Ионный ток утечки натрия Iу•107 A |
|||||||
|
Продолжительность работы лампы, ч |
||||||||
|
100 |
1000 |
2000 |
3000 |
|||||
|
Дефектная |
Контрольная |
Дефектная |
Контрольная |
Дефектная |
Контрольная |
Дефектная |
Контрольная |
|
|
Расчетные |
8,45 |
1,10 |
8,20 |
1,15 |
7,90 |
1,20 |
7,54 |
1,30 |
|
Экспериментальные |
8,80 |
1,10 |
8,30 |
1,10 |
8,0 |
1,10 |
7,20 |
1,10 |
Из таблицы следует, что ток утечки натрия из дефектных ламп монотонно снижается со временем. Снижение тока обусловлено уменьшением концентрации натрия в разряде вследствие утечки его через оболочку РТ в вакуумную колбу. Это косвенно подтверждается и тем, что в лампах с дефектными трубками к концу испытаний, во внешней колбе лампы обнаружены следы натрия. Расхождение между расчетными и экспериментальными данными в определении тока утечки натрия составляет менее 10 %. Что касается ионного тока утечки натрия из РТ контрольной партии ламп, то за столь короткий промежуток времени он практически не изменяется. Срок службы НЛВД, изготовленных в соответствии с соблюдением ТУ, составляет свыше 20 тыс. ч.
Таким образом, по ионному току натрия, эмитируемого разрядной трубкой, а также параметрам структуры керамической оболочки РТ можно косвенно судить о продолжительности работы лампы.
Выводы
1. Получена временная зависимость ионного тока утечки натрия, эмитируемого разрядной трубкой натриевой лампы высокого давления, от коэффициента диффузии и параметров структуры m и d керамической оболочки РТ.
2. По ионному току натрия, имитируемого разрядной трубкой, а также параметрам структуры керамической оболочки РТ можно косвенно судить о продолжительности работы лампы.
3. Выражение для временной зависимости ионного тока натрия совместно с выражением для падения напряжения на лампе могут быть положены в основу создания методик контроля качества натриевых ламп высокого давления.