МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ЭПУ

отчет

по лабораторной работе №6

по дисциплине «Светотехника»

Тема: Исследование дуговой ртутной шаровой лампы сверхвысокого давления

Студенты гр. 2202		Михеев Д. А. Николаев А. В.
Преподаватель		Киселев А. С.

Санкт-Петербург

2024 г.

Цель работы.

Исследование временных, электрических и световых характеристик высокоинтенсивной дуговой ртутной шаровой лампы (ДРШ) сверхвысокого давления (СВД).

Основные положения

Ртутно-кварцевые шаровые лампы сверхвысокого давления являются мощными источниками излучения в видимой и ультрафиолетовой частях оптического спектра. При сверхвысоких давлениях и больших плотностях разрядного тока за счет заметного вклада тормозного излучения электронов, рекомбинационных процессов в объеме, повышения температуры газа дополнительно к уширенным линиям излучения многих газов может формироваться достаточно мощное излучение со сплошным характером спектра. В ряде газов, например, в ксеноне, сплошная составляющая является превалирующей. Спектр же ртутного разряда СВД, даже при давлениях 40…50 атм, сохраняет ярко выраженные мощные широкие линии излучения ртути наряду с незначительным сплошным фоном. В итоге ртутный разряд СВД является источником мощных ультрафиолетового и видимого излучений с характерным сине-зеленым оттенком.

На практике наибольшее распространение получили шаровые ртутные СВД-лампы с малым межэлектродным промежутком, использующие излучение положительного столба (ПС) дугового разряда. Эти высокоинтенсивные источники оптического излучения предназначены для использования в технологии, фотохимии, светолучевых регистраторах, полиграфии и т. п. Ртутные шаровые лампы сверхвысокого давления, как и ксеноновые лампы, обладают высокой мощностью излучения при малых размерах светящегося тела. Ртутные шаровые лампы СВД также характеризуют яркостью [кд/м²] и светоотдачей [лм/Вт]:

L = I_v / S, K = F_v / P_эл,

где I_v – сила света, кд; S – площадь поперечного сечения светящегося тела источника, м²; F_v – световая мощность, лм (1 световой Вт = 683 лм); P_эл – электрическая мощность, потребляемая источником, Вт.

Световой поток ламп ДРШ приближенно рассчитывают, измерив предварительно освещенность (Е), создаваемую в плоскости светочувствительного элемента люксметра на расстоянии l от лампы:

F_v = 4πI_v = 4πЕl².

Для повышения эффективности ламп СВД необходимо уменьшать долю мощности, отводимую от разряда за счет теплопроводности наполняющего газа. Поскольку теплопроводность убывает с ростом атомной массы, тепловые потери будут возрастать при переходе от ртути к ксенону, от ксенона к криптону и т. д. Кроме того, вследствие увеличения эффективного сечения взаимодействия атомов с электронами, с ростом атомной массы уменьшается потенциал ионизации и возрастает градиент потенциала в ПС. Эти обстоятельства приведут к повышению относительного энерговклада в положительный столб ртутного разряда. Долю мощности, приходящуюся на ПС разряда, можно характеризовать электрическим КПД: η_эл = U_ПС / U, где U_ПС = Е_z L_ПС – падение напряжения на положительном столбе (Е_z – градиент потенциала в ПС, В · м^–1; L_ПС – протяженность ПС, равная в условиях разряда СВД межэлектродному расстоянию d); U = U_k + U_ПС – полное падение напряжения на лампе (U_k – прикатодное падение потенциал). Для условий разряда сверхвысокого давления U_k примерно равно потенциалу ионизации наполняющего газа U_k ≈ U_i. Тогда, измерив U и L_ПС = d, можно рассчитать продольный градиент потенциала в ПС ртутной СВД-лампы:

Е_z = (U – U_k) / d.

Применительно к шаровым ртутным лампам СВД существует эмпирическая расчетная формула для продольного градиента потенциала в положительном столбе: Е_z ≈ 1.3 ·10³ р^2/3, где р – рабочее давление, атм. При комнатной температуре давление паров ртути мало. Соответствующее ему напряжение зажигания разряда (U_з) велико, поскольку рабочая точка приходится на левую, возрастающую ветвь кривой Пашена, отражающей зависимость U_з от произведения давления p на протяженность d межэлектродного промежутка: U_з = f (pd). Для облегчения зажигания в лампу вводят инертный газ, обычно аргон, под давлением несколько килопаскалей. Это смещает точку зажигания в область минимума кривой Пашена и уменьшает U_з. В течение первых секунд после пробоя межэлектродного промежутка разряд происходит в аргоне, а затем, по мере разогрева лампы, в парах ртути. В процессе изготовления в лампы типа ДРШ вводят строго дозированное количество ртути. Поэтому на начальном этапе прогрева лампы, когда присутствует жидкая фаза, разряд происходит в ненасыщенных парах ртути – в условиях сильной зависимости их давления от температуры. Следствием этого являются заметные изменения электрических и световых характеристик в период тепловой нестационарности. В рабочем режиме вся ртуть испаряется и разряд происходит уже в ненасыщенных парах ртути при давлении в десятки атмосфер. Полное время разогрева лампы составляет 10…15 мин и увеличивается при снижении температуры окружающей среды. Повторное зажигание ртутной лампы СВД возможно лишь через несколько минут после выключения или случайного обрыва разряда. Пауза необходима для остывания лампы и понижения давления.

В силу малой протяженности зоны прикатодного падения потенциала в ней возникают высокие градиенты электрического поля. Электроны, ускоренные в этом поле, эффективно возбуждают атомы ртути на начальном участке ПС. В результате в прикатодной части положительного столба возникает светящееся пятно с высокой яркостью. При работе лампы на переменном токе промышленной частоты прикатодные светящиеся пятна будут образовываться поочередно около каждого из электродов и иметь меньшую среднюю яркость по сравнению с режимом постоянного тока.

Дуговые ртутные шаровые лампы, как правило, работают на переменном токе и имеют одинаковые электроды. Электроды выполнены в виде вольфрамового прутка, рабочий торец которого заточен на конус. На цилиндрическую часть электрода наматывается вспомогательная спираль с оксидом, что при начальном низком давлении в лампе способствует уменьшению напряжения зажигания. Оболочка ламп изготавливается из термостойкого механически прочного плавленого кварца, прозрачного для видимого и ультрафиолетового излучений. При работе шаровых ламп разряд стабилизируется электродами, расположенными в нескольких миллиметрах друг от друга. Для уменьшения влияния конвективных потоков газа на стабильность положения дуги лампы работают в вертикальном положении. Соответственно, тепловой режим верхнего электрода оказывается более напряженным.

Схема установки

В лабораторной работе исследуется дуговая ртутная шаровая лампа с номинальной электрической мощностью 250 Вт – ДРШ-250. Для облегчения зажигания в этой лампе используется дополнительный поджигающий электрод. Исследуемая лампа устанавливается на оптическую скамью. На скамье устанавливаются многопредельный люксметр, линза и экран с точечным фотоприемником. С помощью линзы на экран проецируется изображение светящегося межэлектродного промежутка лампы. Посредством перемещения точечного фотоприемника можно снять распределение яркости (в относительных единицах) вдоль оси разряда. Перемещение фотоприемника осуществляется вместе с экраном. По изображению на экране можно определить также межэлектродное расстояние и площадь светящейся части разряда. При этом истинные размеры находятся с учетом коэффициента увеличения линзы, который определяется как отношение диаметра электрода, измеренного по проекции, к его истинному значению. Реальный диаметр электродов лампы ДРШ составляет 4 мм.

Питание лампы ДРШ осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В через специальный блок (рис. 6.1). Блок питания выполняет две функции: возбуждение разряда в лампе и ограничение разрядного тока. Первоначально включается тумблер «Сеть», затем – тумблер «Вкл ДРШ». Далее при кратковременном, на 1…2 с, нажатии кнопки «Пуск» к дополнительному электроду лампы прикладывается напряжение 500 В от повышающей вторичной обмотки поджигающего трансформатора. Это напряжение пробивает газовый промежуток между вспомогательным и основными электродами. Через доли секунды после возникновения вспомогательного разряда концентрация заряженных частиц в объеме лампы становится достаточной для перехода разряда на основные электроды.

Разрядный ток через лампу ДРШ ограничивается дросселем и составляет в рабочем режиме 3.5…4 А. Ток измеряется с помощью низкоомного шунта R_ш = 1 Ом, включенного последовательно с лампой. Измеренное с помощью цифрового вольтметра падение напряжения на шунте U_R = IR_ш несет информацию о токе разряда. При R_ш = 1 Ом ток через шунт и падение напряжения на шунте численно равны. При нажатии кнопки K на блоке питания цифровой прибор измеряет падение напряжения U на лампе. Спектр излучения лампы ДРШ контролируется с помощью малогабаритного спектрометра, оптический сигнал на вход которого подается через световод. Управление спектрометром осуществляется с помощью компьютерной программы Aspect.

Рис. 6.1. Схема включения лампы ДРШ