автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.07, диссертация на тему:Компьютерное моделирование и расчет оксидного катода натриевой лампы низкого давления

На правах рукописи

Базаркин Александр Федорович

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ОКСИДНОГО КАТОДА НАТРИЕВОЙ ЛАМПЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Специальность: 05.09.07 - Светотехника

Автореферат 1 8 ПАР 2015

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саранск-2015

005560574

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мордовский государственный педагогический институт имени М. Е. Евсевьева»

Научный руководитель: Свешников Виктор Константинович,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Лисицын Виктор Михайлович,

доктор физико-математических наук, профессор, федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

Королев Валерий Иванович,

кандидат технических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва»

Ведущая организация: Государственное унитарное предприятие

Республики Мордовия «Научно-исследовательский институт источников света имени А. Н. Лодыгина»

Защита состоится 08.04.2015 г. в 14:00 ч. на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.117.13 при ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва» по адресу: 430005, г. Саранск, ул. Большевистская, д.68, ауд. 243.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке имени М.М. Бахтина ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва» по адресу: 430005, Республика Мордовия, г. Саранск, ул. Большевистская, д.68 и на сайте университета: Ьнр://\\ч\'\у.тг5и.ги/ги/с115з/(1!з5.рЬр?ЕЬЕМЕКГ_Ю=32509.

Автореферат разослан «6» марта 2015 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.117.13 д.т.н., профессор

/у^'''/ с.А. Панфилов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Приоритетным направлением в современной энергетике является дальнейшее развитие энергоэкономичных источников света, среди них особо выделяются натриевые лампы низкого давления (НЛНД). Теоретический предел их световой отдачи составляет 478 лм/Вт, т.е. 80 % подведенной к плазменному столбу разряда электрической энергии может быть преобразовано в видимое излучение. Генерируемое НЛНД излучение длиной волны 589,0-589,6 нм близко к максимальной чувствительности глаза. Монохроматический желтый свет НЛНД способствует высокой видимости предметов благодаря исключению хроматической аберрации. Он хорошо проникает сквозь пыль, туман и обладает малым слепящим действием. В связи с этим НЛНД широко используются за рубежом для освещения автострад, аэропортов, судоверфей, туннелей, подземных пешеходных переходов, строительных площадок.

В настоящее время НЛНД с U — образной разрядной трубкой изготавливают такие фирмы как «Osram» (Германия), «Philips» (Нидерланды), «Thorn» (Великобритания), «Toshiba» (Япония) и «Sylvania» (США). Световая отдача серийно выпускаемых за рубежом НЛНД составляет 160-200 лм/Вт, что в 1,6 раза выше световой отдачи натриевой лампы высокого давления (НЛВД) и в 1,5-2 раза больше чем у светодиодных ламп [1]. Срок службы НЛНД составляет 18000 часов. Такие лампы соответствуют требованиям европейских природоохранных стандартов WEEE об утилизации.

В СССР разработана НЛНД с прямой разрядной трубкой ДНаО-85 (Дуговая Натриевая Осветительная лампа мощностью 85 Вт). Эти лампы выпускались промышленностью отдельными партиями. С 1974 года их выпуск по мере расширения производства НЛВД, а так же из-за сложности технологии производства сократился и был прекращен. Однако научно-технические достижения последнего десятилетия в значительной степени сняли технологические проблемы. В связи с этим появилась возможность возобновить работы по совершенствованию конструкции и расширению производства этих самых эффективных источников света. А также необходимость проведения работ по совершенствованию конструкции, технологии и дальнейшего выпуска модернизированной отечественной прямой натриевой лампы ДНаО-85М.

Исследования показали, что увеличение световой отдачи лампы ДНаО-85 может быть достигнуто путем нанесения на разрядную трубку (РТ) теплоотражающей пленки. Использование теплоотражающей пленки позволит снизить долю инфракрасного излучения РТ и тем самым увеличить световую отдачу лампы. Кроме того, дополнительным резервом повышения эффективности НЛНД является снижение работы выхода оксидного катода (ОК), следствием чего является уменьшение величины анодно-катодного падения напряжения в разряде и повышение световой отдачи лампы. Однако, экспериментальное изучение свойств ОК в натриевом разряде осложняется высокой химической активностью натрия, что ограничивает применение традиционных методов исследований.

Компьютерное моделирование позволяет выявить возможности повышения

эмиссионной активности оксидного катода и описать процессы адсорбции и диффузии натрия, формирование локальных донорных центров, изменение работы выхода электронов и построить модель ОК при воздействии натрия.

Цель работы

Разработка компьютерной модели расчета оксидного катода при адсорбции натрия, описывающей температурную зависимость его работы выхода и электропроводности. Создание методики расчета цилиндрического полого катода и обоснование целесообразности его использования в натриевых лампах низкого давления, позволяющей повысить их световую отдачу.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить комплекс следующих задач:

1. Построение компьютерной модели расчета работы выхода оксидного катода с учетом донорных уровней, а также изгиба зон.

2. Построение компьютерной модели расчета параметров оксидного катода, учитывающий слой диполей адатомов натрия и образование дополнительной концентрации донорной примеси в результате химической реакции натрия с оксидами щелочноземельных металлов.

3. Создание компьютерной методики расчета работы выхода и электропроводности оксидного катода на основе (Ва8гСа)0 с учетом адсорбции и массопереноса натрия в оксидное покрытие.

4. Разработка методики и программного обеспечения для расчета работы выхода, электропроводности и геометрических размеров полого цилиндрического катода для натриевых ламп низкого давления.

5. Выявление направлений совершенствования конструкции, направленных на повышение световой отдачи и стабильности светового потока, в процессе работы, ранее выпускавшейся лампы ДНаО-85. Обоснование целесообразности использования полого цилиндрического катода в натриевой лампе ДНаО-85.

Научная новизна:

1. Предложена методика компьютерного расчета работы выхода и электропроводности оксидных катодов на основе ВаО и (ВаЗгСа)О.

2. Раскрыты механизмы адсорбции и диффузии натрия в оксидное покрытие катода. Показано, что в результате образования слоя диполей натрия на поверхности катода и протекания реакции восстановления бария происходит снижение работы выхода ОК.

3. Впервые разработана методика компьютерного расчета работы выхода и электропроводности оксидных катодов ВаО и (Ва8гСа)0 при адсорбции натрия.

4. Выявлены направления совершенствования конструкция лампы ДНаО-85. Полученные результаты компьютерного моделирования процессов в оксидном катоде при адсорбции натрия, позволили обосновать целесообразность использования полого цилиндрического катода в натриевой лампе ДНаО-85 вместо триспирального катода, что будет способствовать дополнительному увеличению световой отдачи лампы до 25%.

5. Впервые предложена методика компьютерного расчета работы выхода,

электропроводности и геометрических размеров полого цилиндрического оксидного катода для натриевой лампы ДНаО-85.

Практическая значимость работы:

1. Предложенный метод компьютерного расчета параметров бариевого катода и катодов с оксидами щелочноземельных металлов может быть использован при расчете и конструировании газосветных ламп.

2. Результаты исследования влияния натрия на параметры оксидного катода и методика его компьютерного расчета могут быть рекомендованы при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, связанных с совершенствованием конструкции, технологии изготовления и повышения эффективности натриевых ламп.

3. Оптимизация конструкции отечественной прямой натриевой лампы ДНаО-85 путем нанесения на РТ теплоотражающей пленки и замены триспирального оксидного катода, на полый цилиндрический катод с внутренним оксидным покрытием, позволит повысить световую отдачу до 160-165 лм/Вт, а так же снизить спад светового потока в процессе работы лампы. В результате модернизации лампы ДНаО-85 ее характеристики будут соответствовать уровню натриевых ламп низкого давления выпускаемых зарубежными фирмами.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель расчета работы выхода и электропроводности оксидного катода при воздействии натрия состоит из адсорбции натрия на катоде, образования слоя диполей и диффузии натрия в оксидном покрытии, сопровождающейся восстановлением бария из его оксида, снижением работы выхода и увеличением электропроводности.

2. Диффузия адатомов натрия в оксидное покрытие основана на вакансионном механизме.

3. Использование в лампе ДНаО-85 полого цилиндрического катода с внутренним оксидным покрытием позволит дополнительно увеличить её световую отдачу до 25 %, а также повысить стабильность светового потока в процессе эксплуатации лампы.

Личный вклад

Основные теоретические положения разработаны совместно с научным руководителем д.т.н., профессором В. К. Свешниковым. Результаты, полученные при проведении компьютерного моделирования физических процессов, протекающих в оксидном катоде, конкретные численные расчеты и анализ результатов выполнены автором самостоятельно.

Достоверность результатов работы подтверждается:

1. Корректной постановкой задач исследований и принятыми допущениями.

2. Сравнением результатов исследований с экспериментальными данными, полученными другими исследователями.

3. Обсуждением результатов исследований на научных конференциях.

Апробация результатов

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на конференциях:

1. V Международная научно-техническая конференция «Современные тенденции развития светотехники», 15-16 мая 2013 г., г. Харьков.

2. VIII Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы физики», 21—23 октября 2013 г., г. Саранск.

3. XI Международная научно-техническая конференция «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики», 3-4 декабря 2013 г., г. Саранск.

4. Международная научно-практическая конференция «Перспективы развития науки и образования», 31 января 2014 г., г. Тамбов.

5. III Международная научно-техническая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Высокие технологии в современной науке и технике» ВТСНТ-2014,26-28 марта 2014 г., г. Томск.

6. XXI Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2014», 7-11 апреля 2014 г., г. Москва.

7. III Международная научно-практическая конференция «Теоретические и прикладные аспекты современной науки», 30 сентября 2014 г., г. Белгород.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 22 работы, из них 4 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, монография «Эмиссионная активность оксидного катода при адсорбции натрия», 3 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 89 наименований. Работа изложена на 136 страницах, содержит 42 рисунка, 14 таблиц и 10 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работы, сформулирована цель и выносимые на защиту основные научные положения, отражена научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе рассматривается формирование эмиссионного слоя катода, взаимодействие керна с оксидным покрытием катода и его термоэлектронная эмиссия. Приводится анализ литературы по влиянию состояния поверхности катода на термоэлектронную эмиссию [2,3]. Излагаются результаты исследований по воздействию натрия на эмиссионные свойства оксидного катода в вакууме и в натриевом разряде [4, 5]. Приводится моделирование процессов адсорбции и диффузии натрия в оксидное покрытие катода. Сформулированы задачи диссертационного исследования.

Анализ публикаций показал необходимость дальнейшего проведения компьютерных исследований по изучению влиянию натрия на эмиссию оксидного катода. Компьютерное моделирование позволяет уточнить параметры катода и выявить оптимальные условия его работы, позволяющие дополнительно повысить эффективность НЛНД. Кроме того, компьютерное моделирование способствует сокращению времени на расчет и проектирование катодов натриевых ламп.

Во второй главе приводятся результаты компьютерного моделирования и расчета работы выхода и электропроводности оксидного катода на основе ВаО и (ВаЗгСа)О с учетом электрического поля, необходимые для дальнейшего рассмотрения вопроса, связанного с воздействием натрия на оксидный катод.

На основе работ [6-10] нами предложена многофакторная математическая модель работы выхода и электропроводности оксидного катода, учитывающая объемные и поверхностные состояния полупроводникового катода. В модели учитываются поверхностные и объемные донорные уровни, изгиб зон, а также наличие электрического поля на катоде.

В основе математической модели используется полученное нами выражение для расчета полной работы выхода е<р оксидного катода, учитывающее электрическое поле и изгиб зон [7, 11]:

еср =х + кТ1п(2-^^)-егр0-е f^-2kTArsh 1ШЩШ*>(1) Г л \ пя J л/47Г£0 У 2у[ШТ 'V '

где х — внешняя работа выхода, Т - температура катода, к - постоянная Больцмана, m - масса электрона, h — постоянная Планка, пд - концентрация объемных донорных центров, егр0 - изгиб зон, е - элементарный заряд электрона, Е - напряженность электрического поля, £0 - электрическая постоянная, пе -концентрация электронов в зоне проводимости, е — относительная диэлектрическая проницаемость.

Изгиб зон егро входящий в выражение (1) определяется из уравнения [10]:

Ект\ / Л Tin етро , l+e ZT—

— |пе [е и- - 1J --¿L— + Пд1п-

ЁЗ-Ца 1+е кТ

Еп-Ул+е-фр » (2)

1+е

где ¡1Л — локальный уровень Ферми, Еп, Ед - глубина залегания донорных уровней соответственно на поверхности и в объеме оксида, Е.л — энергия акцепторных уровней, Ып - концентрация поверхностных донорных уровней.

Нами получена формула для расчета электропроводности а с учетом работы

[8]:

(3)

1Л7

+1

где и - подвижность электронов.

Из формулы (3) следует, что электропроводность оксидного катода определяется глубиной залегания донорных центров, их концентрацией и подвижностью электронов для заданной температуры [8, 10].

На основе приведенной математической модели нами составлен алгоритм расчета температурной зависимости работы выхода и электропроводности оксидного катода в электрическом поле (Рисунок 1).

Рис. 1. Схема алгоритма расчета работы выхода и электропроводности оксидного катода с учетом электрического поля Алгоритм позволяет проводить расчет работы выхода и электропроводности оксидного катода с учетом изгиба зон, а также при наличии электрического поля. Исходными параметрами расчета являлись: температура катода, концентрации доноров и их энергии соответственно в объеме и на поверхности катода, подвижность электронов и напряженность электрического поля.

Нами выполнен расчет работы выхода оксида бария функции температуры в области малых концентраций поверхностных доноров, по формуле (1). Расчет производился без учета изгиба зон в интервале температур от 500 до 1000 К.

8

Сопоставление расчетных данных с экспериментальными [12] сведены в таблицу 1.

Таблица 1 - Значение работы выхода оксида бария без учета изгиба зон в

Температура катода, К Расчет, эВ Эксперимент [12], эВ Относительная погрешность 5, %

500 1,31 1,75 25,1

600 1,46 1,83 20,2

700 1,62 1,90 14,7

800 1,78 1,98 10,1

900 1,94 2,06 5,8

1000 2,10 2,14 1,8

Из таблицы 1 следует, что относительная погрешность при температуре 500 К составляет менее 26%, тогда как при температуре 1000 К она не превышает 2%.

Нами выполнен компьютерный расчет температурной зависимости работы выхода бариевого катода при наличии электрического поля в температурном интервале от 600 до 1100 К. Напряженность электрического поля составляла соответственно Е\ = 105 В/м, Ег = 2,35-Ю6 В/м [8]. Результаты расчета работы выхода оксидного катода в электрическом поле приведены в таблице 2. Таблица 2 - Значения изменения работы выхода оксида бария в электрическом поле

Температура катода, К Работа выхода без поля, эВ Изменение работы выхода при Е\, эВ Изменение работы выхода при Ег, эВ

600 1,46 0,03 0,60

700 1,62 0,02 0,31

800 1,78 0,018 0,20

900 1,94 0,016 0,15

1000 2,10 0,015 0,13

1100 2,26 0,014 0,12

Из таблицы 2 следует, что при воздействии ускоряющего электрического поля работа выхода бариевого катода снижается. Так при температуре катода 600 К изменение работы выхода составляет 0,6 эВ, а при Т= 1100 К составляет 0,12 эВ. Среднее изменение работы выхода составляет 0,25 эВ, что согласуется с экспериментальными данными работы [11].

Также нами осуществлен расчет электропроводности оксида бария по формуле (3). В таблице 3 приведены результаты сравнения расчетных результатов с экспериментальными данными, заимствованными из работы [8].

Таблица 3 - Значения электропроводности оксида бария от температуры

т, К Расчет Ом"' м"' Расчет 1д(ст2), Ом"1 м"1 Эксперимент [8] Ом"' -м"' Относительная погрешность и 1(1 (в) 8, %

500 -4,27 -4,77 -5,31 10,0

550 -3,69 -4,19 -5 16,2

620 -3,03 -3,53 -3,30 6,5

710 -2,37 -2,87 -3 4,3

830 -1,71 -2,22 -2,32 4,3

1000 -1,05 -1,67 -2 16,5

Из таблицы 3 следует, что при увеличении концентрации доноров в оксиде бария электропроводность оксидного покрытия увеличивается. Так при Т= 500 К и пд = 1021 м"3 электропроводность составляет 1,68-10"5 Ом"1 -м"1, а при пд = 1022 м"3 уже 5,32-10"5 Ом"'-м"1. Электропроводность оксида бария увеличивается при повышении температуры. Согласно дынным работы [8] при 500 К электропроводность составляет 10"6 Ом'1-м"1. Тогда как при температуре 1000 К величина электропроводности увеличивается до значения 10" Ом"'-м"1. Расхождение между расчетными и экспериментальными данными [8] составляет менее 17 %.

Таким образом, расчет работы выхода и электропроводности бариевого катода по предложенному алгоритму показал согласованность расчетных и экспериментальных данных.

В диссертационном исследовании также приведены результаты расчета температурной зависимости работы выхода и электропроводности ОК с покрытием (Ва8гСа)0 используемого в производстве газоразрядных приборов. Погрешность расчета работы, в этом случае, не превышает 13 %, что согласуется с экспериментальными данными [12].

Результаты наших исследований показывают, что предложенная методика компьютерного расчета работы выхода и электропроводности бариевого катода также применима и для расчета параметров катодов с оксидными покрытиями сложного состава (Ва8гСа)0. При этом следует учитывать физические параметры используемых покрытий.

Результаты исследований, приведенные в главе 2, направленные на создание методики расчета параметров оксидного катода при адсорбции натрия (глава 3).

Третья глава посвящена разработке и исследованию математической модели бариевого катода с учетом воздействия натрия. Приводится компьютерная методика расчета работы выхода и электропроводности оксидного катода.

Для решения поставленной задачи возникла необходимость рассмотрения механизма адсорбции натрия на катоде и его диффузии в оксидное покрытие, с последующим восстановлением бария в результате реакции оксида бария с натрием.

Установлено выражение для определения степени покрытия оксидного катода атомами натрия, необходимое для расчета изменения его работы выхода.

Степень покрытия в определяется из условия равенства скоростей адсорбции и десорбции:

а =_р*о __(-44

а кРт0+Н1У12лМкТт е-ф/кт ' ^ '

где Р — давление паров натрия, т0 — период колебания атомов кристаллической решетки оксида, на поверхности которого происходит адсорбция натрия, ак -коэффициент конденсации, Л^ - число атомов на 1 м2 образующих моноатомный слой натрия, М - масса атома натрия, Тт - температура разрядной трубки, Ф -энергия адсорбции натрия на катоде.

Воздействие натрия на бариевый катод сопровождается изменением его работы выхода вследствие образования дипольного слоя на поверхности катода [13]. В этом случае внешняя работа выхода понижается на величину:

а _ _^Рто__адзф(£~1)

Лыа а к Рт0+Ы^2пМкТт 16ке0гйг{Е+1У ( '

Здесь а - коэффициент поляризации атомов натрия, qэф - эффективный заряд иона натрия, й — плечо диполя.

В процессе разряда в натриевой лампе атомы натрия диффундируют в оксидное покрытие катода. Оценка влияния диффузии натрия в оксидное покрытие на работу выхода электронов и электропроводность ОК основана на использовании имитационной модели диффузии атомов натрия.

Имитационная модель диффузии позволяет рассмотреть процесс диффузии как серию последовательных перескоков атомов с их узлов в вакансии. В основе имитационной модели нами использован кристалл оксида бария, представляющий собой двухмерный массив с размерностью 100x30 ячеек. Предполагалось, что края массива были замкнуты с помощью периодических граничных условий. Для простоты счета нами задавался целочисленный массив, элементы которого представляли собой атомы взаимодействующих веществ и вакансии. Атомы задавались трех сортов: 0 - вакансия, 1 - атом бария или кислорода, 2 - атом натрия и один меченый атом натрия 3 (Рисунок 2).

222222322222222222222222222222 111111101111100001101111110001 010111011101001111111110111101 110110101110000111110111111001 111111101100100111110111111111

ТпоПТоо111111Тш7шоТШГГ^ 111110111101111101011111111100 101111101111111111101110111011 Рис. 2. Начальная структура кристалла в виде двухмерного массива целых чисел Расчет коэффициента диффузии О выполняется по формуле, полученной нами на основе результатов работы [14]:

б ымк 1/ ' 4 '

где N¡4 — количество диффузионных скачков меченого атома натрия, у0 - частота, соответствующая частоте колебаний узлов кристаллической решетки, А1МК -

количество машинных циклов Монте-Карло, / - число ближайших соседей атома, X — длина диффузионного скачка, соответствующая межатомному расстоянию.

На основе имитационной модели диффузии, нами составлена схема алгоритма, позволяющего проводить расчет коэффициента диффузии натрия в оксидном покрытии катода (Рисунок 3).

Рис. 3. Схема алгоритма имитационного моделирования диффузии натрия в оксиде бария и расчета коэффициента диффузии Нами рассчитан коэффициент диффузии натрия в оксиде бария. Значение коэффициента диффузии в оксиде бария при температуре 600 К составляет

Б= 1,28-10"12 м2/с, что согласуется с экспериментальным значением В = 1,2-10"12 м2/с [15].

Диффузия натрия в объем оксидного покрытия катода приводит к химическому восстановлению бария из его оксида согласно реакциям:

ВаО + 2 N0. = Ыа20 + Ва, (7)

2 ВаО + 2 ЛГа = Ма202 + 2Ва. (8)

Продуктами реакции (7) и (8) являются оксид и пероксид натрия, локализующиеся в оксидном покрытии катода.

Образующийся в оксидном покрытии барий, как известно, является донорной примесью, приводящей к дополнительному снижению работы выхода катода [13]. Дополнительная концентрация пВа атомов бария может быть определена из условия равновесия гетерогенных химических реакций (7), (8) по значениям констант равновесия А" [16]:

пВа ~ К пЛГа • (9)

Здесь Пна - концентрация атомов натрия в объеме оксидного покрытия.

Константа равновесия К нами рассчитывалась по изменениям АН энтальпии и Д5 энтропии с использованием справочных данных [16]:

( ДН+гдбл

К = ехр ^--—), (10)

где Д - универсальная газовая постоянная.

Нами определены константы реакций (7), (8), которые при Т = 600 К соответственно равны 10~14 и 10"53. Реакция (8) не вносит существенного вклада в изменение работы выхода. Поэтому при проведении расчетов реакцией (8) пренебрегаем.

Нами получена формула для расчета полной работы выхода еср оксидного катода при адсорбции натрия:

е<р=Х + кТ1п\---—-гИ-^, (И)

где А = 2{^)\К = ехр{-^), В — Ы1Рт0, Г = 1гк -

толщина оксидного покрытия катода, Сэ - время экспонирования катода в парах натрия.

Таким образом работа выхода оксидного катода при воздействии натрия определяется концентрацией атомов натрия на поверхности и в объеме ОК, коэффициентом диффузии, а также временем экспонирования катода в парах натрия при заданном давлении и температуре оксидного покрытия.

На основе формул (11), (3) и предложенной модели диффузии натрия в оксидном покрытие, нами составлен алгоритм расчета работы выхода и электропроводности оксида бария и тройного оксида щелочноземельных металлов (Ва8гСа)0 при адсорбции натрия (Рисунок 4).

Рис. 4. Схема алгоритма расчета работы выхода оксидного катода при воздействии натрия Результаты расчета работы выхода и электропроводности приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Расчетные и экспериментальные данные работы выхода и

т, к Расчет. е<р с натрием, эВ Дер«», эВ Эксперимент е<р с натрием [13], эВ Погрешность 5,% Расчет <т, Ом"' -м"'

620 1,21 0,27 1,25 3,2 0,48-10"'

660 1,36 0,17 1,35 0,7 1,24-10""*

710 1,54 0,07 1,45 6,2 1,72-КГ1

770 1,71 0,02 1,80 5,0 2,60-10"J

830 1,86 0 1,85 0,5 7,39-10_i

900 1,94 0 1,90 2,0 11,7-10"J

Из таблицы 4 следует, что при температуре оксидного катода свыше 710 К происходит резкое увеличение работы выхода, что обусловлено десорбцией натрия с катода. В этом случае работа выхода бариевого катода, покрытого натрием, приближается к работе выхода катода без натрия, что согласуется с результатами работы [13]. Максимальное расхождение между расчетными и экспериментальными данными при температуре Т = 710 К не превышает 7%.

Значения электропроводности для бариевого катода при адсорбции натрия выше, чем для бариевого катода без натрия. Так при температуре Т = 620 К электропроводность составляет 0,29-10"3 Ом"1 -м"1, тогда как при адсорбции натрия 0,48-10"3 Ом"1 -м"1.

Нами выполнен компьютерный расчет работы выхода и электропроводности катода для покрытия, применяемого в НЛНД, на основе тройного оксида.

Показано, что предложенная методика расчета параметров бариевого катода при адсорбции натрия применима так же и для расчета параметров тройного оксида. Она может быть использована для расчета оксидных катодов с более сложным составом эмиссионного покрытия.

В четвертой главе обоснованы направления оптимизации конструкции натриевой прямой лампы ДНаО-85, а так же методика компьютерного расчета параметров полого катода.

Оптимизация конструкции НЛНД направлена на достижение максимального значения световой отдачи и повышение срока службы [17], Средняя продолжительность работы лампы ДНаО-85 определяется химической стойкостью стекла к натрию, применяемого для изготовления оболочек РТ [18]. В России разработано натриево-стойкое стекло марки СЛ53-1 [19]. Использование такого стекла для изготовления оболочки РТ и нанесение на разрядную трубку теплоотражающей пленки на основе оксида индия с присадкой олова, позволяют увеличить среднюю продолжительность горения и световую отдачу лампы ДНаО-85 более чем в 1,5-2 раза. Что касается оксидного катода, то натрий разрушающего действия на него не оказывает.

Нами установлено, что дополнительное увеличение световой отдачи лампы может быть достигнуто путем повышения эмиссионной активности оксидного катода, что способствует снижению анодно-катодного падения напряжения 11АК. Минимальное значение работы выхода оксидного катода рассмотрено в главе 3, что можно достичь при температуре катода меньшей 800 К. В этом случае снижение работы выхода обусловлено образованием на катоде слоя диполей натрия и восстановлением бария, являющегося дополнительной концентрацией доноров в объеме катода. Это возможно путем замены триспирального катода, применяемого в лампе ДНаО-85, на полый катод цилиндрической формы. Конструкция катодного узла натриевой лампы приведена на рисунке 5.

Применение в НЛНД полого катода с внутренним оксидным покрытием так же ограничивает поступление частиц оксида на оболочку разрядной трубки, что исключает потемнение оболочки разрядной трубки около катода и тем самым способствует ограничению спада светового потока лампы в процессе ее работы.

12 3 4 з 4

Рис. 5. Полый катод натриевой лампы: а) катодный узел: 1 - оболочка разрядной трубки, 2 — вводы,

3 - основание катода, 4 - оксидное покрытие, б) размеры катода Нами определены параметры полого цилиндрического катода на основе использования компьютерной методики расчета работы выхода и электропроводности ОК при адсорбции натрия (глава 3) с учетом уравнения энергетического баланса.

Уравнение энергетического баланса подводимой к катоду и рассеиваемой им электрической мощности, составленного с учетом работы [20], имеет вид:

(1 - тььи. + iut - „)] /д ¥ + („ + 2Е) /д Ш + ( /д | -

onenSK(T*-TÏÏ-

«г/-

(12)

где RK - радиус катода, SK — площадь эмиттирующей поверхности катода, / — электронная составляющая тока, Ъ - коэффициент аккомодации ионов натрия на катоде, MJK - анодно-катодное падение напряжения, Î/; - потенциал ионизации натрия, /д - действующее значение переменного тока, ап - коэффициент излучения абсолютно черного тела, £п - приведенный коэффициент излучения серого тела, Кт - коэффициент теплопроводности газа, <р - работа выхода (вольт).

На рисунке 6 приведена зависимость эффективной площади эмиттирующей поверхности цилиндрического полого катода от температуры. Стабильная работа оксидного катода возможна при значениях температуры Т находящейся в интервале 650-700 К.

sk, îcrv

т, к

700

Рис. 6. Зависимость эффективной площади поверхности катода от температуры, полученная по формуле (12) Нами составлен алгоритм (Рисунок 7) и программа расчета параметров катода. Исходными данными при реализации программы являлись: разрядный ток 0,75 А, температурный интервал 650-700 К, концентрация доноров 1021 м"3, диэлектрическая проницаемость 25, глубина залегания доноров в объеме 1,2 эВ, подвижность электронов 5-10"4 м2-В"1-с"1, коэффициент аккомодации ионов натрия 0,8, радиус трубки 8'10"3 м, потенциал ионизации атомов натрия 5,14 В, количество циклов Монте-Карло 106.

При расчете геометрических размеров из конструктивных соображений высота цилиндрического катода принята равной его диаметру.

16

Рис. 7. Схема алгоритма расчета полого оксидного катода при адсорбции натрия Расчетом установлены следующие значения параметров полого катода: работа выхода катода при температуре 650 К составляет 1,33 эВ, электропроводность 1,7-10~3 Ом'-м"1, площадь эмиттирующей поверхности 8,36 • 10"5 м2, высота катода 5 • 10"3 м, диаметр 5 ■ 10"3 м.

Сравнение параметров оксидного катода лампы ДНаО-85 и результатов компьютерного расчета параметров катода лампы ДНаО-85М приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Параметры катодов натриевых ламп низкого давления

Лампа Тип катода I, А т, К ец>, эВ Удк.В

ДНаО-85 Триспиральный бифилярного типа 0,75 1100 1,70 16

ДНаО-85М Полый цилиндрический 0,75 650 1,33 8

Из таблицы 5 следует, что работа выхода полого цилиндрического катода лампы ДНаО-85М составляет 1,33 эВ при рабочей температуре 650 К, что на 22% ниже, чем у триспирального катода при Т = 1100 К. Это приводит к уменьшению анодно-катодного падения напряжения с 16 до 8 В, а следовательно к увеличению световой отдачи лампы.

В таблице 6 приведено сопоставление характеристик ранее выпускавшейся лампы ДНаО-85 с триспиральным катодом и расчетных характеристик лампы ДНаО-85М с полым цилиндрическим катодом.

Таблица 6 - Сравнительные характеристики лампы ДНаО-85 с расчетными характеристиками модернизированной лампы ДНаО-85М_

Характеристики Тип лампы

ДНаО-85 ДНаО-85М (модернизированная)

Мощность, Вт 85 85

Световой поток, лм 6800-7225 12800-14025

Световая отдача, лм/Вт 80-85 160-165

Разрядный ток, А 0,74-0,75 0,74-0,75

Напряжение на лампе, В 115 111

Напряжение зажигания, В 500 340

Из таблицы 6 следует, что модернизация лампы ДНаО-85М, связанная с использованием в ней полого цилиндрического катода и нанесением на РТ теплоотражающего покрытия на основе оксида индия, позволит увеличить световую отдачу лампы в 2 раза. Её значение 160—165 лм/Вт будет соответствовать уровню световой отдачи серийно выпускаемых зарубежных ламп, в частности типа SOX-E фирмы Philips, близкой по мощности [21].

В заключении по результатам диссертационной работы сделаны следующие выводы.

В настоящее время за рубежом в технике освещения скоростных магистралей, туннелей, взлетно-посадочных полос аэродромов и т.д. широко используются натриевых ламп низкого давления, излучающие монохроматический свет в желтой области спектра близкой к максимальной чувствительности глаза, что способствует высокой видимости предметов. В связи с этим возникает актуальная необходимость возобновления работ по дальнейшему совершенствованию конструкции и технологии производства в РФ первой отечественной прямой натриевой лампы ДНаО-85.

Одним из резервов дальнейшего увеличения световой отдачи натриевой лампы является повышение эмиссионной активности оксидного катода. В этом плане нами проведены исследования связанные с разработкой компьютерной модели влияния натрия на параметры оксидного катода. На основании этих исследований обоснована целесообразность использования полого цилиндрического катода с внутренним оксидным покрытием в лампе ДНаО-85, что позволит дополнительно увеличить её световую отдачу до 25 % и уменьшить спад светового потока в процессе её эксплуатации.

В диссертационной работе решены следующие научно-технические задачи:

1. Построена компьютерная модель расчета работы выхода оксидного катода с учетом донорных уровней, изгиба зон в зависимости от температуры и напряженности электрического поля.

2. Предложенный метод компьютерного расчета катодов с оксидами щелочноземельных металлов может быть использован при конструировании электровакуумных и газоразрядных приборов.

3. Впервые предложена компьютерная методика расчета работы выхода и электропроводности оксидного катода на основе ВаО и (BaSrCa)O с учетом адсорбции натрия на катоде, образования слоя диполей и диффузии натрия в

18

оксидном покрытии, сопровождающейся восстановлением бария из его оксида, снижением работы выхода и увеличением электропроводности.

4. Впервые представлена методика компьютерного расчета коэффициента диффузии натрия в оксидном покрытии катода.

5. Результаты компьютерного моделирования показывают, что адсорбция натрия на поверхности оксидного катода приводит к снижению его работы выхода и увеличению электропроводности.

6. Результаты исследования влияния натрия на параметры оксидного катода и предложенная нами методика его компьютерного расчета могут быть использованы при выполнении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, связанных с совершенствованием конструкции, технологии производства и повышения эффективности натриевых ламп.

7. Создана методика и программное обеспечение, позволяющие осуществлять расчет параметров полого цилиндрического катода лампы ДНаО-85М в условиях воздействия натрия.

8. Выявлены направления совершенствования конструкции ранее выпускавшейся лампы ДНаО-85, направленные на повышение ее световой отдачи. Обоснована целесообразность использования полого цилиндрического катода с внутренним оксидным покрытием в лампе ДНаО-85. Оптимизация конструкции лампы путем замены триспирального оксидного катода на полый цилиндрический катод с внутренним оксидным покрытием и нанесением на разрядную трубку теплоотражающей пленки позволит повысить световую отдачу отечественной лампы ДНаО-85 до 160—165 лм/Вт и снизить спад светового потока в процессе её работы. В результате модернизации лампы ДНаО-85М ее характеристики будут на уровне характеристик выпускаемых зарубежными фирмами натриевых ламп низкого давления.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в научных журналах, которые включены в Перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией при Министерстве образования и науки Российской Федерации:

1. Базаркин, А. Ф. Физическая модель и компьютерный расчет коэффициента диффузии натрия в оксидное покрытие катода / В. К. Свешников, А. Ф. Базаркин // Фундаментальные исследования. - 2014. - № 5. Ч. 5. - С. 990994.

2. Базаркин, А. Ф. Моделирование работы выхода оксидного катода при воздействии натрия / В. К. Свешников, А. Ф. Базаркин // Прикладная физика. -2014,-№2.-С. 76-80.

3. Базаркин, А. Ф. Расчет температурной зависимости работы выхода оксидного катода / В. К. Свешников, А. Ф. Базаркин // Электронная техника «Серия 1 СВЧ-техника». - 2014. - Вып. 1 (520). - С. 70-75.

4. Базаркин, А. Ф. Электропроводность оксидного катода при адсорбции натрия / В. К. Свешников, А. Ф. Базаркин // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. - 2014. -№ 4. - Вып. 50 (Ч. 2). - С. 119-122.

Монография:

5. Базаркин, А. Ф. Эмиссионная активность оксидного катода при адсорбции натрия / В. К. Свешников, А. Ф. Базаркин ; Мордов. гос. пед. ин-т. -Саранск, 2014.- 127 с.

Публикации в других научных изданиях:

6. Базаркин, А. Ф. Особенности физико-химических процессов в оксидном катоде / В. К. Свешников, А. Ф. Базаркин // Учебный эксперимент в образовании. -№ 4.-2012.-С. 42-54.

7. Базаркин, А. Ф. Применение метода Монте-Карло к компьютерному моделированию процессов диффузии атомов в кристалле / В. К. Свешников, А. Ф. Базаркин, В. И. Дьяконова // Учебный эксперимент в образовании. - № 1. -2013.-С. 63-69.

8. Базаркин, А. Ф. Моделирование процессов адсорбции и диффузии натрия в электродных покрытиях натриевых ламп / В. К. Свешников, А. Ф. Базаркин, В. И. Дьяконова // Свшютехнжа та електроенергетика (г. Харьков, Украина). -№ 1 (33). -2013. - С. 21-26.

9. Базаркин, А. Ф. Моделирование процессов адсорбции и диффузии натрия в электродных покрытиях натриевых ламп / В. К. Свешников,

A. Ф. Базаркин, В. И. Дьяконова // Современные тенденции развития светотехники : материалы V междунар. науч.-технич. конф. / редкол.:

B. Ф. Харченко, М. К. Сухонос, Л. А. Назаренко и др. - Харьков. - 2013. -С. 34-35.

10. Базаркин, А. Ф. Методика расчета работы выхода бариевого катода / В. К. Свешников, А. Ф. Базаркин, В. И. Дьяконова // Учебный эксперимент в образовании. - № 3. - 2013. - С. 82-84.

11. Базаркин, А. Ф. Физико-химические процессы в оксидных катодах / А. Ф. Базаркин ; Мордов. гос. ун-т. - Саранск, 2013. - 37 с. - Деп. в ВИНИТИ. 08.07.2013, №200-В2013.

12. Базаркин, А. Ф. Моделирование работы выхода оксидного катода при воздействии атомов натрия / В. К. Свешников, А. Ф. Базаркин // Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики : сб. науч. тр. XI междунар. науч.-технич. конф. в рамках II Всерос. светотехнич. форума с междунар. участием / редкол.: О. Е. Железникова и др. - Саранск. -2013.-С. 246-248.

13. Базаркин, А. Ф. Компьютерное моделирование диффузии натрия в оксидное покрытие катода / А. Ф. Базаркин // Ломоносов-2014 : сб. тез. докл. XXI междунар. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых учёных : Секция «Физика». - Москва, 2014. - С. 325-326.

20

14. Базаркин, А. Ф. Алгоритм расчета работы выхода оксидов щелочноземельных металлов при адсорбции натрия / В. К. Свешников,

A. Ф. Базаркин // Перспективы развития науки и образования : сб. науч. тр. по материалам междунар. науч.-практ. конф. : в 15 ч. - Тамбов. - 2014. - Ч. 6. - С. 26-27.

15. Базаркин, А. Ф. Разработка компьютерной лабораторной работы по физике «Моделирование диффузии натрия в ионных кристаллах» /

B. К. Свешников, А. Ф. Базаркин, В. И. Дьяконова // Учебный эксперимент в образовании. - № 1. - 2014. - С. 79-88.

16. Базаркин, А. Ф. Компьютерный расчет концентрации бария в оксидном покрытии вследствие диффузии натрия / В. К. Свешников, А. Ф. Базаркин // Высокие технологии в современной науке и технике ВТСНТ-2014 : сб. науч. тр. III междунар. науч.-технич. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов / под ред. В. В. Лопатина, А. Н. Яковлева. - Томск, 2014. - С. 322-327.

17. Базаркин, А. Ф. Компьютерный расчет работы выхода оксида бария в электрическом поле / В. К. Свешников, А. Ф. Базаркин // Учебный эксперимент в образовании. - 2014. - № 2. - С. 86-91.

18. Базаркин, А. Ф. Компьютерный расчет параметров полого катода натриевой лампы низкого давления / В. К. Свешников, А. Ф. Базаркин // Учебный эксперимент в образовании. -№ 3. - 2014. - С. 74-81.

19. Базаркин, А. Ф. Состояние и перспективы развития натриевых ламп низкого давления / В. К. Свешников, А. Ф. Базаркин // Теоретические и прикладные аспекты современной науки : сб. науч. тр. по материалам III междунар. науч.-практ. конф. : в 5 ч. / под ред. М. Г. Петровой. - Белгород, 2014. -Ч. 1.-С. 167-170.

Свидетельства о регистрации программ для ЭВМ:

20. Базаркин А. Ф. Расчет работы выхода оксидного катода / Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2014612920.

21. Базаркин А. Ф. Расчет коэффициента диффузии атомов натрия в оксидах щелочноземельных металлах / Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2014660366.

22. Базаркин А. Ф. Расчет работы выхода оксидного катода при воздействии паров натрия / Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2014660365.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Продукты OSRAM. URL: http://www.osram.ru/osram_ru/products/ (дата обращения: 22.12.2014).

2. Капустин В. И. Расчет температурной зависимости работы выхода окиси бария // Изв. АН СССР. Сер. Физ. 1991. Т. 55. № 12. С. 2455-2458.

3. Капустин В. И., Сигов А. С. Материаловедение и технологии электроники. М.: ИНФРА-М, 2014. 432 с.

4. Данилина 3. В., Корочков Ю. А., Лавров И. С., Руднев В. Н.

21

Исследование эмиссионных свойств окислов в парах натрия // Светотехника. 1973. № 10. С. 12-13.

5. Свешников В. К. Эмиссионная активность оксидного катода в натриевом разряде // Радиотехника и Электроника. 1996. Т. 41. № 7. С. 866-869.

6. Zalm P. Thermoionic cathodes //Advan. Electron Electron. Phys. 1968. V. 25. P. 211-275.

7. Никонов Б. П. Оксидный катод. M. : Энергия, 1979. 240 с.

8. Мойжес Б. Я. Физические процессы в оксидном катоде. М. : Наука, 1968.

480 с.

9. Герман Г., Вагнер С. Оксидный катод. М. : Гостехиздат, 1949. 508 с. Ю.Князев А. Я. Влияние поверхности на работу выхода и

электропроводность оксидного катода // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1972. № 9. С. 54-66.

11. Моргулис Н. Д. К вопросу об эффекте Шоттки для сложных полупроводниковых катодов // «ЖЭТФ». 1946. Т. 16. № 11. С. 959-964.

12. Соколов А. М., Никонов Б. П. Исследование процессов активирования и дегазации свойств оксидного катода в процессе работы. Ч. I. Процессы формирования активированного катода. Режим откачки и тренировки // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1982. Вып. 2 (338). С. 44-52.

П.Свешников В. К. Исследование влияния натрия на работу выхода оксидного катода // Известия высших учебных заведений. 2012. Т. 55. № 1. С. 58-61.

14. Маннинг Дж. Кинетика диффузии атомов в кристаллах. М. : Мир, 1971.

278 с.

15. Свешников В. К., Молин В. Н., Карташова М. В. Исследование влияния натрия на физические свойства оксидного катода // Радиотехника и электроника. 2008. Т. 54. № 4. С. 489^93.

16. Рябин В. А., Остроумов М. А., Свит Г. Ф. Термодинамические свойства веществ. Л. : Химия, 1977. 309 с.

17. Кокинов А. М., Свешников В. К. Перспективы совершенствования натриевых ламп низкого давления // Светотехника. 1987. № 12. С. 18-19.

18. Вильчинская С. С., Лисицын В. М. Оптические материалы и технологии. Томск : Издательство Томского политехнического университета, 2011.108 с.

19. Морозова А. Н., Панкратова Н. Ф., Сивко А. П., Ушаков Г. М., Филимонова М. А. Стекла для оболочек специальных источников света // Светотехника. - 1980. № 11. С. 14-16.

20. Решенов С. П. Катодные процессы в дуговых источниках излучения. М. : МЭИ, 1991. 158 с.

21. Модификации и технические характеристики ламп PHILIPS MASTER SOX-E. URL: http://www.ecat.lighting.philips.ru/l/lamps/high-intensity-discharge-lamps/sox-low-pressure-sodium/master-sox-e/48098/cat/?tl=ProductList (дата обращения: 22.12.2014).

Подписано в печать 06.02.2015 г. Формат 60x80 1/16. Печать ризография. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 1,34. Тираж 100 экз. Заказ № 15.

ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный педагогический институт имени М.Е. Евсевьева» Редакционно-издательский центр 430007, г. Саранск, ул. Студенческая, д. 11а