5-Дәріс.ОС газ-разрядтық көздері (ГРШ). Газдардағы және металл булрындағы электр разрядтар.Балласт кедергінің түріне байланысты ГРШ жұмысына әсері.
Оптикалық сәулелену газдарда, металл буларында немесе олардың қоспасында өтетін электр разрядының нәтижесінде пайда болатын сәуле шығару көзі сәулеленудің газ-разрядтық көзі деп аталады.
Оптикалық сәулеленудің газ-разрядтық көздерінің жылулық сәулеленуге негізделген көздерге қарағанда П.Ә.К-і жоғары болады. Сәулеленудің түстілігі және оның спектр бойынша таралу сипаты металл буының немесе газдың тегіне және электр разрядының жағдайына байланысты келеді. Газ-разрядтық сәулелену көздерінің осы қасиеттері оларды өнеркәсіп пен ауыл шаруашылығының барлық салаларында әр түрлі мақсатқа пайдалануға жол ашты.
Сәулелену энергиясының негізгі бөлігін қамтамасыз ететін сәулеленгіштің тегіне байланысты газ-разрядтық көздерін мынадай үш типке бөледі:1) электр разряд процесінде газдың немесе металл буларының сәулеленуі пайдаланылатын жарық газды шамдар;2) электр разряд процесінде өте қыздырылған электродтардың сәулеленуі пайдаланылатын жарық электродты шамдар;3) негізгі сәулелену көзі газдағы электр разрядының сәулеленуімен қоздырылатын люминоформалар болатын люминесцеттік шамдар.
Газ-разрядтық көздерінің сәулеленуі аралас сипатты болады және өте қызыдырылған электродтардың, газдың және люминофордың сәулеленулерінен тұрады. Осы сәулеленулердің біреуі басым болады. Газ-разрядтық оптикалық сәулелену көздерінің ішінде сынап буларындағы электр разряды пайдаланылатын шамдар кең таралған. Жұмыс режимінде дамитын қысымның деңгейіне байланысты оларды былай топтастыруға болады:1) разряд кезіндегі қысым 0,01 МПа-ге дейін болатын кіші қысымды шамдар;2) жұмыс режимінде қысым 0,01…1 МПа болатын жоғары қысымды шамдар;3) разряд кезіндегі қысым 1Мпа —ден артық болатын өте жоғары қысымды шамдар.
ГАЗДАРДАҒЫ ЖӘНЕ МЕТАЛЛ БУЛАРЫНДАҒЫ ЭЛЕКТР РАЗРЯДЫ
Электр энергиясын аралық тасымалдағыштар — электрондар немесе иондар. Өткізгіштерде бос электрондар болғандықтан олар электр тогын жақсы өткізеді. Ерітінділерде бос иондар болады, сондықтан олар да электр тогын жақсы өткізеді. Газдар мен булар изоляторлар болғандықтан оларда бос энергия тасымалдағыштар болмайды. Электр тогының газ тәрізді ортада өтуінің оның металдар мен электролиттерде өтуінен ерекше айырмашылығы болады. Газдың немесе будың электрлік тесілуі және осының нәтижесінде электр тогының өтуі диэлектриктердегі осы құбылыстан да ерекше келеді. Электрлік тесілу диэлектриктерді бұзады және оларды толық немесе жарым-жартылай өткізгішке немесе шала өткізгішке айналдырады.
Егер тесілу нәтижесінде химиялық реакция өтпесе, газ немесе бу электр өрісін алғаннан кейін өзінің қасиеттерін қайтадан қалпына келтіреді. Газдардағы және металл буларындағы электр разрядының сипаты мен механизмі негізінде ортаның қасиеттеріне, берілген кернеуге және электр тогының тығыздығына байланысты болады.
Қазіргі уақытта газ-разрядтық сәулелену көздерінде сынап буларындағы разряд кең пайдаланылады. Осы разрядта сәулелену энергиясының негізгі бөлігі толқын ұзындығы λ=253,7 нм болатын сынаптың резонанстық сәулеленуімен сипатталады.
Құрамында газдық аралық болатын электр тізбегімен электр тогы өтуі үшін, электрондар катод бетінен газға, ал газдан анод бетіне көшуі керек. Қатты өткізгіштің (катодтың) бетінен электрон ұшып шығуы үшін электрод пен газдың шекарасында болатын потенциалдық кедергіні жеңуге энергия шығындау қажет болады.
Бұл энергия «шығу жұмысы» деп аталады, электрон-вольтте өлшенеді және катод бетінің материалына, оның температурасына және газдың табиғатына байланысты келеді. Катод бетінен электрондардың шығуын жеңілдету үшін арнайы тәсілдер қолданылады, мысалы, электродтарды алдын ала қыздырады немесе олардың бетін катодтың эмиссиялық қасиетін жоғарылататын актив заттармен қаптайды. Электрондар анод бетіне түскенде олар энергиясының бөлігі анодты қыздыруға шығынданады.
Газдағы немесе металл буындағы электр разрядының сипаты мен механизмі разрядтық токтың тығыздығына және ортаның қасиеттеріне, әсіресе жұмыс режиміндегі қысымға өте тәуелді келеді.
Газдағы разряд тәуелсіз және тәуелді болып екі түрге бөлінеді. Төуелсіз разряд — электродтарға берілетін потенциалдар айырымының әрекетінен газ — разрядтық аралықта пайда болатын ішкі процестер сақталатын разряд. Тек сыртқы себепкершарттар (иондайтын сәулелену, энергия көзінен электродтарды алдын ала қыздыру және т.б.) әсер еткенде ғана пайда болатын разряд тәуелді разряд деп аталады. Тәуелсіз разрядтың мынадай негізгі формаларын ажыратады.Жай разряд өте кіші ток тығыздығымен (10-2 А/см2 дейін) жәнекөз шаларлық жарқыл шығармайтындығымен сипатталады.Солғын разряд көзге түсерлік жарқыл шығаруымен сипатталады. Разряд тогының тығыздығы 10-2 ..10-4 А/см2 болады.Доғалық разряд катод бетінен электрондар эмиссиясының қарқындылығымен, электродтар аралығының тасқын тәріздес иондануымен және жарқыл шығаруының айтарлықтай жарықтылығымен сипатталады. Разряд тогының тығыздығы үлкен мәнге (ондаған және жүздеген А/см2) дейін жетуі мүмкін.
Қысымды және разряд тогы тығыздығын өзгертумен бір разрядтық аралықта разрядтың жоғарыда келтірілген үш формасының кез келгенін жүзеге асыруға болады. Разрядтың белгілі формада өтуі және оның басқа формаға ауысуы зарядталған бөлшектердің пайда болуына мүмкіндік туғызатын сыртқы себепкер шарттардың әрекетіне байланысты болуы мүмкін.
Разрядтың формасын және оның бір формадан басқа формаға көшуін газ-разрядтық аралықтың статикалық вольт-амперлік сипаттамасы бойынша бақылауға болады (1. сурет). Электродтарға берілген кернеу біршамаға жеткенде разрядтық аралықта пайда болған жай разряд ток тығыздығының өсуінен аралықтың электрлік қасиеттері өзгеруі нәтижесінде солғын ‘разрядқа дамиды, ал содан соң доғалық разрядқа айналады. Вольт- амперлік сипаттаманың әр түрлі телім-деріне сәйкес келетін кернеу мәні негізінде газдың немесе металл буларының қасиеттерімен және қысыммен анықталады. Разрядтың әр түрлі формасына сәйкес келетін электр тогының шектері катод материалының қасиеттеріне, оның пішіні мен бетінің жағдайына байланысты болады.
Ток тығыздығы белгілі деңгейге дейін жоғарылағанда электродтар аралығының иондануы тасқын тәрізді болуы мүмкін. Осы кезде ток өскенде аралықтың кедергісі кенет төмендейді. Сондықтан электродтар аралығындағы газды орта кедергісінің белгілі өзіне сәйкес келетін мәні болмауы мүмкін.
Негізгі газ-разрядтық сәулелену көздерінің жұмыс режимі доғалық разряд болып табылады. Вольт-амперлік сипаттаманың осы разрядқа сәйкес келетін бөлігі құламалы келеді, яғни ток шексіз өсе беруі мүмкін.
Газдағы немесе металл буларындағы электр разрядының осы ерекше қасиеті өте маңызды келеді. Ол газ-разрядтық сәулелену көзін қиратпай сақтау үшін разряд тогын шектеуге арналған арнайы кедергіні шамға тізбектеп қосуға мәжбүр етеді. Ол кедергі балластық деп аталады.
ГАЗДАРДАҒЫ ЖӘНЕ МЕТАЛЛ БУЛАРЫНДАҒЫ ДОҒАЛЫҚ РАЗРЯДТЫ ТҰТАНДЫРУ ЖӘНЕ ТҰРАҚТАНДЫРУ ШАРТТАРЫ
Газ — разрядтық шамның электродтарына сыртқы кернеу берілмегенде зарядталған бөлшектердің табиғи пайда болу процесі олардың рекомбинацияланумен (бейтарап бөлшектерді қайта құрумен) теңдестіріледі. Электродтардағы кернеуді жоғарылатқан сайын зарядталған бөлшектердің саны көбейеді.
Кернеу мәні біршамаға жеткеннен бастап зарядталған бөлшектер санының өсу процесі және, сондықтан, электродтар аралығындағы ток күші іс жүзінде ілез (10-5 …10-7 с) дамиды да жарқыл шығарудың пайда болуына әкеледі. Бұл құбылыс тәуелсіз разрядты тұтандыру деп аталады. Кернеудің тәуелсіз разряд пайда болатын ең кіші мәні тұтандыру кернеуі Uш.т. деп аталады. Оның мәні газдың тегі мен қысымына, электродтардың эмиссиялық қасиеттеріне және олардың аралық қашықтығына байланысты болады. Тәуелсіз доғалақ разрядтың тұтану кернеуі қалыптасқан режимде разрядты сөндірмей ұстап тұруға қажетті кернеуден айтарлықтай жоғары болады. Өйткені қалыптасқан режимде электродтар аралығы иондалған және өзінің бетіне түскен зарядталған бөлшектердің кинетикалық энергиясымен қыздырылған катод электрондар эмиссиясының жеткілікті деңгейін қамтамасыз етеді. Сондықтан осы режимде разрядты сүйемелдеуге төмен кернеу керек болады.
Газ-разрядтық сәулелену көзінің тұтану кернеуі өзі қосылған электр торабының тиімді кернеуінен де жоғары болады. Сонымен бірге доғалақ разрядты электр торабы кернеуінен UТ жоғары болмайтын кернеуде тұтандыру мүмкіншілігі дұрыс болып табылады. Оған бірнеше тәсілдермен жетуге болады. Мысалы, газ- разрядтық аралыққа қосымша электродтар енгізіп газдың бірінші иондануын өсіруге болады. Қосымша электродтар көмегімен катод маңында электр өрісінің жоғары кернеулігі жасалынады, ал ол разрядтың пайда болуына және дамуына мүмкіндік туғызады. Тұтыну кернеуін төмендетудің басқа да тәсілдері пайдаланылады: электродтардың эмиссиялық қасиеттерін жоғарылату үшін олардың бетін активтендіретін қабатпен қаптау; катод бетінен электрондардың шығу жұмысын азайту үшін оларды алдын ала қыздыру; электродтар аралығында электр өрісінің таралуын өзгерту үшін шамның сыртқы бетіне ток өткізетін тілім орналастыру және т.б.
Доғалық разрядтық құламалы вольтамперлік сипаттамасы оны тұрақсыз қылады. Сондықтан газ-разрядтық сәулелену көзін электр торабына қосу сұлбасында разрядты тұрақтандыратын және тоқты белгіленген мәнде шектейтін элемент болуы керек. Сәулелену көзін айнымалы ток торабынан қоректендіргенде осы элемент ретінде дұрыс таңдап алынған әр түрлі кедергіні (актив, индуктив, сыйымдылық,, аралас) пайдалануға болады. Бірақ газ-разрядтық сәулелену көзі жұмысының жарық-техникалық, энергетикалық және эксплуатациялық көрсеткіштері әр түрлі балласт кедергілерді пайдаланғанда бірдей болмайды.
Шамды тұрақты ток торабынан қоректендіргенде разрядты тұрақтандыру жағдайларын қарастырайық. Бұл мәселенің мәнін қарапайым графиктерді тұрғызу арқылы түсіндіруге мүмкіндік береді. 6.2. —суретте келтірілген сұлба бойынша электр торабына қосылған газ-разрядтық сәулелену көзінің электродтар аралығындағы электр разрядының тұрақты режимі мына шарттардың орындалуымен қамтамасыз етіледі:
Uт = Uш + IшR6 (1.)
(2.)
мұндағы Uт — электр торабы кернеуі, В; Uш — жұмыс режиміндегі шам шықпаларындағы кернеу, В; Іш—разряд тогы, А; Rб -тұрақтандырғыш құрылғының омдық кедергісі, Ом.
қатынасы разрядтың дифференциалды кедергісі деп аталады. Ол — теріс шама. Осы шарттардың негізінде разрядты тұрақтандыратын құрылғыларды есептеу орындалады.
Мейлі 3. — суретте қисық 1 газ разрядының вольт-амперлік сипаттамасы болсын, ал сызық 2-балласт кедергінің вольт-амперлік сипаттамасы. Болашақ тұрғызуларда ыңғайлы болуы үшін, кедергінің сипаттамасы ординаталар осі мен электр торабы кернеуі сызығының түйіскен нүктесінен жүргізілген. Сонымен tgα=Rб . Торап кернеуінің сызығы мен 2 сызық аралығындағы тік кесінділер белгілі масштабта балласт кедергідегі кернеу түсуі Iш Rш болып саналады.
Шам мен балласт кедергінің вольт-амперлік сипаттамаларының в және с қиысу нүктелерінде разрядты тұрақтандырудың екі шартының бірінші орындалады. Бірақ тек tgβ<tgα болатын с нүктесінде ғана екі шартта орындалады. Сондықтан тұрақты разрядқа с нүктесі сәйкес келеді. Шыныда да, в нүктесінде разряд тогының өсуіне ештеме кедергі жасамайды.
Өйткені Ів1 =1в + ΔІ болғанда UТ >UШ + ІШ Rб болады. Бұл разрядтың графикте с нүктесімен сипатталатын күйіне дейін іс жүзінде ілезде (10-5 С шамасында) дамуына әкеледі. Осы жағдайда разрядтық токтың одан әрі өсуі мүмкін емес. Өйткені ІС1 = ІС+ΔІ болғанда UШ+ІШ Rб > Uт болады.
Шамға балласт кедергіні тізбектеп қосқанда электр энергиясы қосымш шығынданады. Сондықтан разрядтық ток мәні І0 берілгенде разрядтың тұрақтылығын қамтамасыз ететін балласт кедергінің және сол кедергіде кернеу түсуінің мүмкіндік ең кіші мәні туралы сұрақ назар аударады. 6.4.- суретте осы шамаларды графикалық тәсілмен анықтау көрсетілген. Вольтамперлік сипаттаманың разряд тогының берілген мәніне сәйкес келетін о нүктесінде сипатамаға ординаталар осімен қиылысқанша жанама сызық өткізілген. Uтmin сызығы электр торабының ең кіші кернеуін сипаттайды, ал tgα0 балласт кедергінің мүмкіндік ең кіші мәніне Rбmin пропорционал болады. Бірақ Rбmin шамның о нүктесіне сәйкес келетін режимдегі жұмысы тұрақсыз келеді. Өйткені қоректендіру торабы кернеуі кішкене ғана төмендесе (балласт кедергі тұрақты болғанда) разряд сөнеді. Шынында да, электр торабы кернеуі төмендегенде (пунктир сызық) балласт кедергі мен шамның вольт-амперлік сипаттамалары қиыспайды, яғни Uт<Uш + ІшRб . Бұл разрядтың жоқтығын көрсетеді. Қоректендіру торабында кернеу UТ1 мәніне дейін жоғарылағанда разрядтық ток І0 мәнінен I1 мәніне дейін кенет өседі. Газ-
разрядтық шам қоректендіру кернеуі мен шамдағы кернеу аралығындағы қатынас әр түрлі болғанда да жұмыс істей алады. Бірақ шам жұмысының тұрақтылығы әр түрлі болады. Қоректендіру торабының кернеуі шамдағы кернеуден не ғұрлым жоғары болса, сол ғұрлым торап кернеуінің ауытқуы шам жұмысына аз әсер етеді. Керісінше Uш/Uт қатынасы көбейген сайын, торап кернеуі ауытқуының разрядтық ток күшіне әсері арта түседі.
Сондықтан сәулелену көзінің жұмыс көрсеткіштері де өзгереді. 6.5-суретте көрсетілгендей Uт1>Uт2 болғанда ΔІ1<ΔІ2 болатындығы анықталады. Іс жүзінде қоректендіру кернеуінің ауытқуында газразрядтық сәулелену көздері жұмысының жеткілікті сенімділігін және олардың параметрлерінің тұрақтылығын қамтамасыз ету үшін балласт кедергілерді мына шартқа UШ ≤ 0,65UТ сәйкес таңдап алады.
БАЛЛАСТ КЕДЕРГІ ТҮРІНІҢ ГАЗ-РАЗРЯДТЫҚ ШАМДАРДЫҢ ЖҰМЫСЫНА ӘСЕРІ
Газ-разрядтық шамдары айнымалы ток торабынан
қоректендіргенде разрядты тұрақтандырудың жоғарыда қарастырылған тәсілдердің маңызы негізінде сақталады. Бірақ қосымша ерекше жайдайлар пайда болады. Сәулелену көзі жұмысының көрсеткіштері мен балласт кедергі параметрлерінің арасындағы өзара байланыс түрлі-түрлі және күрделі келеді.
Айнымалы ток тізбектерінде шамның әдеттегідей қызмет ету мерзімін қамтамасыз ету үшін токтың ілездік мәндері қисығының пішіні синусындағы мүмкіндігінше жақын болуы керек. Ток қисығы пішінінің бұрмалану дәрежесі негізінде балласт кедергінің түріне байланысты келеді (6.6-сурет) және амплитуда коэффициентінің мәнімен бағаланады:
(.3)
6-сурет. Газ-разрядтық шамы кернеулерінің, тогының және жарық ағынының ілездік мәндерінің осциллограммалары: а- актив балласт кедергіде; б-индуктив балласт кедергіде; в-сыйымдылық балласт кедергіде
Балласт құрылғы 1.7-ден аспайтын амплитуда коэффициентін қамтамасыз етуі керек. Ка > 1,7 болғанда люминесценттік шамның жұмыс істеу мерзімі айтарлықтай қысқарады.
Айнымалы токта актив кедергінің көмегімен разрядты тұрақтандыру қарапайым және арзан жүзеге асырылады. Бірақ бұл тәсілдің ерекше кемшіліктері бар, сондықтан ол тек арнайы жағдайларда пайдаланылады.
6., а-суретте шамды үлгіқалыпты жиілікті айнымалы ток тізбегіне актив кедергімен қосқанда оның кернеулерінің және тогының ілездік мәндерінің қисықтары келтірілген. Кернеудің ілездік мәні UШ.Т. дейін жоғарылағанда шамда разряд пайда болады. Разряд процесінде шамдағы кернеу разрядты сөндірмей ұстап тұруға қажетті UЖ мәніне дейін төмендейді және торап кернеуінің ілездік мәні Uс мәніне дейін төмендегенше тұрақты қалады. Осыдан кейін разряд сөнеді, тізбекпен ток өтпейді. Келесі жартылай периодта разрядтың тұтану және сөну процестері қайталанылады. Графиктен әрбір жартылай периодта разрядтың қайта тұтануында токтың өзгеруінде бастапқы φб және соңғы φс үзілістердің болатындығы көрінеді. Жалпы үзіліс φб + φс периодтың 1/3 жетуі мүмкін. Разрядтық токта үзілістің болуы сәулелену көзі жұмысының көрсеткіштерін айтарлықтай төмендетеді және сәулелену ағынының пульстенуі мен стробоскоптық эффектің пайда болу себебі болып табылады. Токтың ілездік мәндерінің қисығы синусоидадан өзгеше болады. Егер осымен қатар амплитуда коэффициенті өссе, электродтар бетіндегі оксидтік қабат материалы бөлшектерінің қарқынды ұшып шығуынан және эмиссиялық қасиеттердің жоғалуынан электродтардың қызмет ету мерзімі азаяды. Әсіресе актив балласт кедергіде электр энергиясының көп шығындануы үлкен кемшілік болып саналады. Өйткені ол құрылғының энергетикалық көрсеткіштерін өте төмендетеді.
Разрядты индукгив кедергі арқылы тұрақтандырудың оны актив кедергі көмегімен тұрақтандырумен салыстырғанда бірсыпыра артықшылықтары бар және бұл тәсіл кең пайдаланылады. 6.6,б-суретте шамды айнымалы ток тізбегіне индуктив кедергімен қосқанда оның кернеулерінің және тогының ілездік мәндерінің қисықтары берілген. Электр торабындағы және шам шықпаларындағы кернеулер аралығында фаза бойынша ығысу болуы әрбір жартылай периодта шамның қайта тұтануын айтарлықтай жеңілдетеді. Өйткені токтың мәні нөлге тең болған кезде шамның шықпаларына тораптың едәуір ілездік кернеуі беріледі. Осы себептен разряд елеусіз үзіліспен қайта тұтанады. Ток қисығының пішіні синусоидаға жақындайды. Индуктив балласт кедергіде актив кедергімен салыстырғанда қуат шығыны едәуір кіші және сәулелену көзі қуатынан 10 проценттен 35 процентке дейін болады. Индуктив балласт кедергінің негізгі кемшіліктеріне метал шығынының көптігін, қуат коэффициентінің кішілігін, құнының жоғарылығын жатқызуға болады.
Разрядты сыйымдылық көмегімен тұрақтандыру сирек пайдаланылады. Осы тәсілге сәйкес қисықтар 6.6, в-суретте көрсетілген. Ток қисығы өте бұрмаланған пішінді болады. Электродтардың қызмет ету мерзімі көп төмендейді. Ұзақ үзілістер және тоқтың үлкен ілездік мәндері шамның жарық-техникалық көрсеткіштерін едәуір төмендетеді.
6.6-суреттен балласт кедергінің кез келген түрінде де шамдағы кернеу және оның тогы аралығында фаза бойынша ығысудың жоқтығы көрінеді. Бірақ шамның қуаты оның кернеуі мен тогының әрекеттік мәндерінің көбейтіндісіне тең болмайды. Мәселе мынада, бұл шамалардың ілездік мәндерінің қисықтары пішіні бойынша бір-бірінен және синусоидадан ерекше өзгеше болады. Сондықтан электродтар аралығындағы разряд қуатының дәл мәнін есептеу үшін кернеу және тоқ қисықтарын гармоникалық құрастырушыларға ыдырату керек болады. Дәл қуат ток пен кернеудің алынған гармоникалар қуаттарының қосындысына тең болады. Практикада газ-разрядтық шам қуатының коэффициенті деген түсініктемені қолданады. Бұл коэффициенттің фазалар ығысу бұрышына байланысы жоқ. «Бұрмалау коэффициенті» деп аталатын термин де осы мағынада пайдаланылады:
Шамның қуат коэффициенті балласт кедергінің түріне және шамасына тәуелді келеді, сондықтан тұрақты болмайды. Әдетте газ-разрядтық шамдардың қуат коэффициенті 0.7 … 0.9, ал «газ-разрядтық шам — балласт кедергі» жинағының қуат коэффициенті 0.4 … 0.9 болады.