Электрические и излучательные характеристики индуктивных бесферритных ртутных УФ-ламп в замкнутых трубках

Павел [Павел] Валерьевич [V.] Старшинов [Starshinov]; Олег [Oleg] Алексеевич [A.] Попов [Popov]; Игорь [Igor] Вячеславович [V.] Ирхин [Irkhin]; Виктория [Viktoriya] Николаевна [N.] Васина [Vasina]; Владимир [Vladimir] Александрович [A.] Левченко [Levchenko]

doi:10.24160/1993-6982-2019-3-87-97

Павел [Павел] Валерьевич [V.] Старшинов [Starshinov]
Олег [Oleg] Алексеевич [A.] Попов [Popov]
Игорь [Igor] Вячеславович [V.] Ирхин [Irkhin]
Виктория [Viktoriya] Николаевна [N.] Васина [Vasina]
Владимир [Vladimir] Александрович [A.] Левченко [Levchenko]

DOI: https://doi.org/10.24160/1993-6982-2019-3-87-97

Ключевые слова: ультрафиолетовое излучение, индукционный разряд, ртутная плазма низкого давления, индуктивная катушка

Аннотация

Проведено экспериментальное исследование электрических и излучательных характеристик бесферритных индукционных ультрафиолетовых (УФ) ламп, в которых разряд возбуждался в замкнутой трубке с помощью трехвитковой индуктивной катушки, размещенной по внутреннему периметру трубки. Разряд возбуждался в смеси паров ртути (0,01 мм рт. ст.) и аргона (1,0 мм рт. ст.) на частоте 1,7 МГц при мощности лампы 90…160 Вт. Установлено, что в лампе с разрядной трубкой диаметром 25 мм зависимости мощности потерь в проводе катушки и напряженности ВЧ электрического поля в плазме от мощности лампы имеют минимум, а аналогичные зависимости разрядного тока лампы и КПД генерации УФ-излучения лампы на длине волны 254 нм — максимум. Поток УФ-излучения лампы возрастает с увеличением мощности лампы от 28 до 72 Вт, а КПД генерации УФ-излучения плазмы монотонно растет от 52 до 65%. Уменьшение диаметра трубки до 16 мм повышает напряженность ВЧ электрического поля в плазме и мощность потерь в проводе катушки, но практически не влияет на величину потока и КПД генерации УФ-излучения лампы и плазмы.

Сведения об авторах

Павел [Павел] Валерьевич [V.] Старшинов [Starshinov]

аспирант кафедры светотехники, НИУ «МЭИ», e-mail: blitzzz-z@ya.ru

Олег [Oleg] Алексеевич [A.] Попов [Popov]

доктор технических наук, профессор кафедры светотехники, НИУ «МЭИ», e-mail: popovoleg445@yahoo.com

Игорь [Igor] Вячеславович [V.] Ирхин [Irkhin]

кандидат технических наук, ведущий инженер Всероссийского электротехнического института — филиала Российского федерального ядерного центра — Всероссийского научно-исследовательского института технической физики им. академика Е.И. Забабахина

Виктория [Viktoriya] Николаевна [N.] Васина [Vasina]

инженер-светодизайнер компании Alfresco, г. Москва

Владимир [Vladimir] Александрович [A.] Левченко [Levchenko]

кандидат физико-математических наук, заместитель заведующего лабораторией, ООО «ЛИТ», г. Москва

Литература

1. Shaffer J., Godyak V.A. The Development оf Low Frequency, High Output Electrodeless Fluorescent Lamp // J. Illuminating Eng. Soc. 2013. V. 28 (1). Pp. 142—148.
2. Гвоздев-Карелин С.В. Особенности и примеры применения безэлектродной люминесцентной лампы Endura фирмы Оsram // Светотехника. 2006. № 3. С. 9—12.
3. Godyak V. Ferromagnetic Enhanced Inductive Plasma Sources // J. Phys. D. Appl. Phys. 2013. V. 46. Pp. 1—23.
4. Kolobov V.I., Godyak V.A. Inductively Coupled Plasmas at Low Driving Frequencies // Plasma Sources Sci. Technol. 2017. V. 26. No. 7. Pp. 075013.
5. Исупов М.В., Кротов С.В., Литвинцев А.Ю., Уланов И.М. Индукционная ультрафиолетовая лампа // Светотехника. 2007. № 5. С. 37—40.
6. Kobayashi S., Hatano A. High-intensity Low Pressure Electrodeless Mercury-argon Lamp for UV Disinfection of Wastewater // J. Water and Environment Techn. 2005. V. 3. No.1. Pp. 71—76.
7. Левченко В.А., Попов О.А., Свитнев С.А., Старшинов П.В. Электрические и излучательные характеристики лампы трансформаторного типа с разрядной трубкой диаметром 16,6 мм // Светотехника. 2016. № 1. С. 41—44.
8. Свитнев С.А., Попов О.А., Левченко В.А., Старшинов П.В. Характеристики бесферритного индукционного разряда низкого давления. Ч. 2. Излучательные характеристики плазмы // УПФ. 2016. № 4. С. 372—384.
9. Popov O.A., Chandler R.T. Ferrite-free High Power Electrodeless Fluorescent Lamp Operated at a Frequency of 160...1000 kHz // Plasma Sources Sci. and Techn. 2002. V. 11(2). Pp. 218—224.
10. Попов О.А., Никифорова В.А. Индукционный бесферритный источник света мощностью 300…400 Вт на частоте 200…400 кГц // Вестник МЭИ. 2010. № 2. С. 159—164.
11. Попов О.А., Старшинов П.В., Васина В.Н. Исследование характеристик индукционного бесферритного ртутного разряда низкого давления в замкнутой трубке // Вестник МЭИ. 2018. № 4. C. 89—96.
12. Piejak R.B., Godyak V.A., Alexandrovich B.M. А Simple Analyses of an Inductive RF Discharge // Plasma Sources Sci.Techn. 1992. No. 1. Pp. 179—185.
13. Rauner D., Briefi S. Fantz U. RF Power Transfer Efficiency of Inductively Coupled Low Pressure H2 and D2 Discharges // Plasma Sources Sci. Techn. 2017. V. 26. P. 095004.
14. Gudmundsson J.T., Lieberman M.A. Magnetic Induction and Plasma Impedance in a Cylindrical Inductive Discharge // Plasma Sources Sci. Tech. 1997. V. 6. No. 4. Pp. 540—550.
15. Elenbaas W. Light Sources. N.-Y.: Crane, Russak & Co, 1972.
16. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987.
17. Piejak R., Godyak V.A., Alexandrovich B.M. Electric Field in Inductively Coupled discharges // J. Appl. Phys. 2001. V. 89. No. 7. Pp. 3590—3593.
18. Исупов М.В., Федосеев А.В., Сухинин Г.И., Уланов И.М. Экспериментальное и теоретическое исследование низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа // Теплофизика и аэромеханика. 2014. Т. 21. № 5. С. 681—692.
19. Cunge G., Crawly B., Vender D., Turner M.M. Anomalous Skin Effect and Collisionless Powe Dissipation in Inductively Coupled Discharges // J. Appl. Phys. 2000. V. 89. No. 7. Pp. 3580—3589.
20. Hyo-Chang Lee, Seung Ju Oh, Chin-Wookn Chung. Experimental Observation of the Skin Effect on Plasma Uniformity in Inductively Coupled Plasmas with a Radio Frequency Bias // Plasma Sources Sci. Techn. 2012. V. 21. No. 3. P. 035003.
21. Godyak V.A., Piejak R.B., Alexandrovich B.M. Hot Plasma and Nonlinear Effects in Inductive Discharges // Phys. Plasma. 1999. V. 6. No. 5. Pp. 1804—1812.
22. Александров А.Ф., Вавилин К.В., Кралькина Е.А., Неклюдова П.А., Павлов В.Б. Исследование параметров плазмы индуктивного ВЧ-источника плазмы диаметром 46 см. Ч. I. Параметры плазмы в области скин-слоя // Прикладная физика. 2013. № 5. C. 34—37.
23. Никифорова В.А., Попов О.А. Влияние частоты ВЧ-поля и разрядного тока на радиальное распределение параметров плазмы индукционного бесферритного разряда в замкнутой трубке // Вестник МЭИ. 2012. № 1. С. 108—114.
24. Kralkina E.A. е. а. RF Power Absorption by Plasma of a Low Pressure Inductive Discharge // Plasma Sources Sci. Techn. 2016. V. 25. P. 015016.
25. Trieschmann J., Mussenbrock T. Kinetic Analysis of Negative Power Deposition in Inductive Low Pressure Plasmas // Plasma Sources Sci. Techn. 2017. V. 26. P. 024004.
26. Свитнев С.А., Попов О.А., Левченко В.А., Старшинов П.В. Характеристики бесферритного индукционного разряда низкого давления. Ч. 1. Электрические параметры индуктивной катушки // УПФ. 2016. № 2. С. 139—149.
27. Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н., Левченко В.А., Соколов Д.В., Шунков Ю.Е. Новая высокоэффективная газоразрядная лампа низкого давления повышенной мощности // Тезисы докл. XLI Междунар. Звенигородской конф. по физике плазмы и УТС. Звенигород, 2014. С. 242.
---
Для цитирования: Старшинов П.В., Попов О.А., Ирхин И.В., Васина В.Н., Левченко В.А. Электрические и излучательные характеристики индуктивных бесферритных ртутных УФ-ламп в замкнутых трубках // Вестник МЭИ. 2019. № 3. С. 87—97. DOI: 10.24160/1993- 6982-2019-3-87-97.
#
1. Shaffer J., Godyak V.A. The Development оf Low Frequency, High Output Electrodeless Fluorescent Lamp. J. Illuminating Eng. Soc. 2013;28 (1):142—148.
2. Gvozdev-Karelin S.V. Osobennosti i Primery Primeneniya Bezelektrodnoy Lyuminestsentnoy Lampy Endura Firmy Osram. Svetotekhnika. 2006;3:9—12. (in Russian).
3. Godyak V. Ferromagnetic Enhanced Inductive Plasma Sources. J. Phys. D. Appl. Phys. 2013;46:1—23.
4. Kolobov V.I., Godyak V.A. Inductively Coupled Plasmas at Low Driving Frequencies. Plasma Sources Sci. Technol. 2017;26;7:075013.
5. Isupov M.V., Krotov S.V., Litvintsev A.Yu., Ulanov I.M. Induktsionnaya Ul'trafioletovaya Lampa. Svetotekhnika. 2007;5:37—40. (in Russian).
6. Kobayashi S., Hatano A. High-intensity Low Pressure Electrodeless Mercury-argon Lamp for UV Disinfection of Wastewater. J. Water and Environment Techn. 2005;3;1:71—76.
7. Levchenko V.A., Popov O.A., Svitnev S.A., Starshinov P.V. Elektricheskie i Izluchatel'nye Kharakteristiki Lampy Transformatornogo Tipa s Razryadnoy Trubkoy Diametrom 16,6 mm. Svetotekhnika. 2016;1:41—44. (in Russian).
8. Svitnev S.A., Popov O.A., Levchenko V.A., Starshinov P.V. Kharakteristiki Besferritnogo Induktsionnogo Razryada Nizkogo Davleniya. Ch. 2. Izluchatel'nye Kharakteristiki Plazmy. UPF. 2016;4:372—384. (in Russian).
9. Popov O.A., Chandler R.T. Ferrite-free High Power Electrodeless Fluorescent Lamp Operated at a Frequency of 160...1000 kHz. Plasma Sources Sci. and Techn. 2002; 11(2):218—224.
10. Popov O.A., Nikiforova V.A. Induktsionnyy besferritnyy istochnik sveta moshchnost'yu 300…400 Vt na chastote 200…400 kGts. Vestnik MEI. 2010;2:159—164. (in Russian).
11. Popov O.A., Starshinov P.V., Vasina V.N. Issledovanie Kharakteristik Induktsionnogo Besferritnogo Rtutnogo Razryada Nizkogo Davleniya v Zamknutoy Trubke. Vestnik MEI. 2018;4:89—96. (in Russian).
12. Piejak R.B., Godyak V.A., Alexandrovich B.M. А Simple Analyses of an Inductive RF Discharge. Plasma Sources Sci.Techn. 1992;1:179—185.
13. Rauner D., Briefi S. Fantz U. RF Power Transfer Efficiency of Inductively Coupled Low Pressure H2 and D2 Discharges. Plasma Sources Sci. Techn. 2017;26:095004.
14. Gudmundsson J.T., Lieberman M.A. Magnetic Induction and Plasma Impedance in a Cylindrical Inductive Discharge. Plasma Sources Sci. Tech. 1997;6;4: 540—550.
15. Elenbaas W. Light Sources. N.-Y.: Crane, Russak & Co, 1972.
16. Rayzer Yu.P. Fizika gazovogo razryada. M.: Nauka, 1987. (in Russian).
17. Piejak R., Godyak V.A., Alexandrovich B.M. Electric Field in Inductively Coupled discharges. J. Appl. Phys. 2001;89;7:3590—3593.
18. Isupov M.V., Fedoseev A.V., Sukhinin G.I., Ulanov I.M. Eksperimental'noe i Teoreticheskoe Issledovanie Nizkochastotnogo Induktsionnogo Razryada Transformatornogo Tipa. Teplofizika i Aeromekhanika. 2014;21;5: 681—692. (in Russian).
19. Cunge G., Crawly B., Vender D., Turner M.M. Anomalous Skin Effect and Collisionless Powe Dissipation in Inductively Coupled Discharges. J. Appl. Phys. 2000;89; 7:3580—3589.
20. Hyo-Chang Lee, Seung Ju Oh, Chin-Wookn Chung. Experimental Observation of the Skin Effect on Plasma Uniformity in Inductively Coupled Plasmas with a Radio Frequency Bias. Plasma Sources Sci. Techn. 2012;21;3: 035003.
21. Godyak V.A., Piejak R.B., Alexandrovich B.M. Hot Plasma and Nonlinear Effects in Inductive Discharges. Phys. Plasma. 1999;6;5:1804—1812.
22. Aleksandrov A.F., Vavilin K.V., Kral'kina E.A., Neklyudova P.A., Pavlov V.B. Issledovanie Parametrov Plazmy Induktivnogo VCH-istochnika Plazmy Diametrom 46 sm. Ch. I. Parametry Plazmy v Oblasti Skin-sloya. Prikladnaya Fizika. 2013;5:34—37. (in Russian).
23. Nikiforova V.A., Popov O.A. Vliyanie Chastoty VCH-polya i Razryadnogo Toka na Radial'noe Raspredelenie Parametrov Plazmy Induktsionnogo Besferritnogo Razryada v Zamknutoy Trubke. Vestnik MEI. 2012;1:108—114. (in Russian).
24. Kralkina E.A. е. а. RF Power Absorption by Plasma of a Low Pressure Inductive Discharge. Plasma Sources Sci. Techn. 2016;25:015016.
25. Trieschmann J., Mussenbrock T. Kinetic Analysis of Negative Power Deposition in Inductive Low Pressure Plasmas. Plasma Sources Sci. Techn. 2017;26:024004.
26. Svitnev S.A., Popov O.A., Levchenko V.A., Starshinov P.V. Kharakteristiki Besferritnogo Induktsionnogo Razryada Nizkogo Davleniya. Ch. 1. Elektricheskie Parametry Induktivnoy Katushki. UPF. 2016;2:139—149. (in Russian).
27. Kostyuchenko S.V., Kudryavtsev N.N., Levchenko V.A., Sokolov D.V., Shunkov Yu.E. Novaya Vysokoeffektivnaya Gazorazryadnaya Lampa Nizkogo Davleniya Povyshennoy Moshchnosti. Tezisy Dokl. XLI Mezhdunar. Zvenigorodskoy Konf. po Fizike Plazmy i UTS. Zvenigorod, 2014:242. (in Russian).
---
For citation: Starshinov P.V., Popov O.A., Irkhin I.V., Vasina V.N., Levchenko V.A. Electric and Radiation Characteristics of Ferrite-free Closed-loop Inductively-coupled Mercury Discharge UV-lamps. Bulletin of MPEI. 2019;3:87—97. (in Russian). DOI: 10.24160/1993- 6982-2019-3-87-97.