The Characteristics of a Ferrite-free Closed-loop Inductively-coupled Low-pressure Mercury Discharge Lamp
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2018-4-89-96Keywords:
ferrite-free inductive discharge, low-pressure mercury plasma, induction coil, loss power, luminous efficacyAbstract
The article presents the results from studying the electrical and optical characteristics of a ferrite-free inductively-coupled low-pressure lamp having the shape of a parallelepiped 500 mm in length and 70 mm in width, and containing a closed discharge tube with an inner diameter of 30 mm. The discharge was excited at a frequency of 2.0 MHz in a mixture of mercury vapor and argon by means of a six-turn inductive coil made of silver-plated copper wire with a low resistivity and arranged on the closed tube outer surface over its perimeter. The tube wall inner (vacuum) surface was coated with a mixture of three line-emission phosphors. It has been found by experiment that increasing the high frequency power absorbed by the discharge plasma from 127 to 180 W has a minor effect on the inductive coil electrical parameters, which are in the range of 3.75 ̶ 4.0 А (the high-frequency current) and 800 ̶ 850 V (the coil voltage). The power losses in the coil wire remain almost unchanged; the discharge current calculated within the framework of the transformer model increases with increasing the plasma power from 1.63 to 2.35 A, and the electric field strength averaged over the plasma turn section does not show any explicit dependence and remains within the range 0.72 ̶ 0.76 V/cm. The lamp luminous flux increases with increasing the plasma power from 10430 to 13500 lm, whereas the plasma and lamp efficacies decrease from 82 to 75 LPW and from 70 to 67 LPW, respectively.
References
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. Исупов М.В., Уланов И.М., Литвинцев А.Ю., Колмаков К.Н. Экспериментальное исследование энергетических характеристик индукционного разряда трансформаторного типа в парах ртути // Теплофизика и аэромеханика. 2002. Т. 9. С. 151—161.
3. Гвоздев-Карелин С.В. Особенности и примеры применения безэлектродной люминесцентной лампы Endura фирмы Оsram // Светотехника. 2006. № 3. С. 9—12.
4. Попов О.А., Чандлер Р.Т. Индуктивный источник света трансформаторного типа на частотах 150 — 400 кГц мощностью 200—500 Вт // ТВТ. 2007. № 4. С. 795—800.
5. Pat. No. 7183717 US. Inductively-driven Plasma Light Source.
6. Исупов М.В., Кротов C.B., Литвинцев А.Ю., Уланов И.М. Индукционная ультрафиолетовая лампа // Светотехника. 2007. № 5. С. 37—40.
7. Godyak V. Ferromagnetic Enhanced Inductive Plasma Sources // J. Phys D. Appl. Phys. 2013. V. 46. No. 28. Pp. 1—23.
8. Kobayashi S., Hatano A. High-intensity Lowpressure Electrodeless Mercury-argon Lamp for UV Disinfection of Wastewater // J. Water and Environment Techn. 2005. V. 3. No. 1. Pp. 71—76.
9. Свитнев С.А., Попов О.А., Левченко В.А. Характеристики высокочастотной 13,56 МГц бесферритной индукционной ультрафиолетовой лампы // Прикладная физика. 2015. № 6. C. 92—97.
10. Popov О.А., Chandler Р.Т. Ferrite-free High Power Electrodeless Fluorescent Lamp Operated at a Frequency of 160—1000 kHz // Plasma Sources Sci. Tech. 2002. V. 11. No. 2. Pp. 218—224.
11. 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.
12. Lister G.G., Cox M. Modeling of Inductively Coupled Discharges with Internal and External Coils // Plasma Sources Sci. Tech. 1992. V. 1. No. 1. Pp. 67—73.
13. Никифорова В.А., Попов О.А. Пространственное распределение параметров плазмы индукционного разряда в бесферритной лампе замкнутого типа // Вестник МЭИ. 2010. № 5. С. 111—117.
14. Denneman J.W. Determination of Electromagnetic Properties of Low-pressure Electrodeless Inductive Discharges // J. Phys. D. Appl. Phys. 1990. V. 23. Pp. 293 —298.
15. Piejak R.B., Godyak V.A., Alexandrovich B.M. А Simple Analyses of an Inductive RF Discharge // Plasma Sources Sci. Tech. 1992. V. 1. No. 3. Pp. 179—185.
16. 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.
17. 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.
18. Исупов М.В., Федосеев А.В., Сухинин Г.И., Уланов Г.И. Экспериментальное и теоретическое исследование низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа // Теплофизика и аэромеханика. 2014. № 5. C. 681—692.
19. Cunge G., Crawly B., Vender D., Turner M.M. Anomalous Skin Effect and Collisionless Power Dissipation in Inductively-coupled Discharges // J. Appl.Phys. 2000. V. 89. No. 7. Pp. 3580—3589.
20. Hyo-Chang Lee, Seung Ju Oh, Chin-Wook 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. of Plasma. 1999. V. 6. No. 5. Pp. 1804—1812.
22. Александров А.Ф. и др. 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.
---
Для цитирования: Попов О.А., Старшинов П.В., Васина В.Н. Исследование характеристик индукционной бесферритной ртутной лампы низкого давления с замкнутой разрядной трубкой // Вестник МЭИ. 2018. № 4. С. 89—96. DOI:10.24160/1993-6982-2018-4-89-96.
#
1. Shaffer J., Godyak V.A. The Development of Low Frequency High Output Electrodeless Fluorescent Lamp. J. Illuminating Eng. Soc. 2013;28 (1):142—148.
2. Isupov M.V., Ulanov I.M., Litvintsev A.Yu., Kolmakov K.N. Eksperimental'noe Issledovanie Energeticheskih Harakteristik Induktsionnogo Razryada Transformatornogo Tipa v Parah Rtuti. Teplofizika i Aeromekhanika. 2002;9:151—161. (in Russian).
3. Gvozdev-Karelin S.V. Osobennosti i Primery Primeneniya Bezelektrodnoy Lyuminestsentnoy Lampy Endura Firmy Osram. Svetotekhnika. 2006;3:9—12. (in Russian).
4. Popov O.A., Chandler R.T. Induktivnyy Istochnik Sveta Transformatornogo Tipa na Chastotah 150—400 kGts Moshchnost'yu 200—500 Vt. TVT. 2007;4:795—800. (in Russian).
5. Pat. 7183717 US. Inductively-driven Plasma Light Source.
6. Isupov M.V., Krotov C.B., Litvintsev A.Yu., Ulanov I.M. Induktsionnaya Ul'trafioletovaya Lampa. Svetotekhnika. 2007; 5:37—40. (in Russian).
7. Godyak V. Ferromagnetic Enhanced InductivePlasma Sources. J. Phys D. Appl. Phys. 2013; 46; 28:1—23.
8. Kobayashi S., Hatano A. High-intensity Lowpressure Electrodeless Mercury-argon Lamp for UV Disinfection of Wastewater. J. Water and Environment Techn. 2005; 3;1:71—76.
9. Svitnev S.A., Popov O.A., Levchenko V.A. Harakteristiki Vysokochastotnoy 13,56 MGts Besferritnoy Induktsionnoy Ul'trafioletovoy Lampy. Prikladnaya Fizika. 2015; 6:92—97. (in Russian).
10. Popov O.A., Chandler R.T. Ferrite-free High Power Electrodeless Fluorescent Lamp Operated at a Frequency of 160—1000 kHz. Plasma Sources Sci. Tech. 2002; 11; 2:218—224.
11. Popov O.A., Nikiforova V.A. Induktsionnyy Besferritnyy Istochnik Sveta Moshchnost'yu 300—400 Vt na Chastote 200—400 kGts. Vestnik MPEI. 2010; 2:159—164. (in Russian).
12. Lister G.G., Cox M. Modeling of Inductively Coupled Discharges with Internal and External Coils. Plasma Sources Sci. Tech. 1992; 1; 1:67—73.
13. Nikiforova V.A., Popov O.A. Prostranstvennoe Raspredelenie Parametrov Plazmy Induktsionnogo Razryada v Besferritnoy Lampe Zamknutogo Tipa. Vestnik MPEI. 2010; 5:111—117. (in Russian).
14. Denneman J.W. Determination of Electromagnetic Properties of Low-pressure Electrodeless Inductive Dischar-ges. J. Phys. D. Appl. Phys. 1990; 23:293—298.
15. Piejak R.B., Godyak V.A., Alexandrovich B.M. A Simple Analyses of an Inductive RF Discharge. Plasma Sources Sci. Tech. 1992; 1; 3:179—185.
16. 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.
17. Levchenko V.A., Popov O.A., Svitnev S.A., Starshinov P.V. Elektricheskie i Izluchatel'nye Harakteristiki Lampy Transformatornogo Tipa s Razryadnoy Trubkoy Diametrom 16,6 mm. Svetotekhnika. 2016; 1:41—44. (in Russian).
18. Isupov M.V., Fedoseev A.V., Suhinin G.I., Ulanov G.I. Eksperimental'noe i Teoreticheskoe Issledovanie Nizkochastotnogo Induktsionnogo Razryada Transformatornogo Tipa. Teplofizika i Aeromekhanika. 2014; 5:681—692. (in Russian).
19. Cunge G., Crawly B., Vender D., Turner M.M. Anomalous Skin Effect and Collisionless Power Dissipation in Inductively-coupled Discharges. J. Appl. Phys. 2000; 89; 7:3580—3589.
20. Hyo-Chang Lee, Seung Ju Oh, Chin-Wook 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. of Plasma. 1999; 6; 5:1804—1812.
22. Aleksandrov A.F. i dr. 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).
---
For citation: Popov O.A., Starshinov P.V., Vasina V.N. The Characteristics of a Ferrite-free Closed-loop Inductively-coupled Low-pressure Mercury Discharge Lamp. MPEI Vestnik. 2018;4:89—96. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2018-4-89-96.
2. Исупов М.В., Уланов И.М., Литвинцев А.Ю., Колмаков К.Н. Экспериментальное исследование энергетических характеристик индукционного разряда трансформаторного типа в парах ртути // Теплофизика и аэромеханика. 2002. Т. 9. С. 151—161.
3. Гвоздев-Карелин С.В. Особенности и примеры применения безэлектродной люминесцентной лампы Endura фирмы Оsram // Светотехника. 2006. № 3. С. 9—12.
4. Попов О.А., Чандлер Р.Т. Индуктивный источник света трансформаторного типа на частотах 150 — 400 кГц мощностью 200—500 Вт // ТВТ. 2007. № 4. С. 795—800.
5. Pat. No. 7183717 US. Inductively-driven Plasma Light Source.
6. Исупов М.В., Кротов C.B., Литвинцев А.Ю., Уланов И.М. Индукционная ультрафиолетовая лампа // Светотехника. 2007. № 5. С. 37—40.
7. Godyak V. Ferromagnetic Enhanced Inductive Plasma Sources // J. Phys D. Appl. Phys. 2013. V. 46. No. 28. Pp. 1—23.
8. Kobayashi S., Hatano A. High-intensity Lowpressure Electrodeless Mercury-argon Lamp for UV Disinfection of Wastewater // J. Water and Environment Techn. 2005. V. 3. No. 1. Pp. 71—76.
9. Свитнев С.А., Попов О.А., Левченко В.А. Характеристики высокочастотной 13,56 МГц бесферритной индукционной ультрафиолетовой лампы // Прикладная физика. 2015. № 6. C. 92—97.
10. Popov О.А., Chandler Р.Т. Ferrite-free High Power Electrodeless Fluorescent Lamp Operated at a Frequency of 160—1000 kHz // Plasma Sources Sci. Tech. 2002. V. 11. No. 2. Pp. 218—224.
11. 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.
12. Lister G.G., Cox M. Modeling of Inductively Coupled Discharges with Internal and External Coils // Plasma Sources Sci. Tech. 1992. V. 1. No. 1. Pp. 67—73.
13. Никифорова В.А., Попов О.А. Пространственное распределение параметров плазмы индукционного разряда в бесферритной лампе замкнутого типа // Вестник МЭИ. 2010. № 5. С. 111—117.
14. Denneman J.W. Determination of Electromagnetic Properties of Low-pressure Electrodeless Inductive Discharges // J. Phys. D. Appl. Phys. 1990. V. 23. Pp. 293 —298.
15. Piejak R.B., Godyak V.A., Alexandrovich B.M. А Simple Analyses of an Inductive RF Discharge // Plasma Sources Sci. Tech. 1992. V. 1. No. 3. Pp. 179—185.
16. 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.
17. 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.
18. Исупов М.В., Федосеев А.В., Сухинин Г.И., Уланов Г.И. Экспериментальное и теоретическое исследование низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа // Теплофизика и аэромеханика. 2014. № 5. C. 681—692.
19. Cunge G., Crawly B., Vender D., Turner M.M. Anomalous Skin Effect and Collisionless Power Dissipation in Inductively-coupled Discharges // J. Appl.Phys. 2000. V. 89. No. 7. Pp. 3580—3589.
20. Hyo-Chang Lee, Seung Ju Oh, Chin-Wook 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. of Plasma. 1999. V. 6. No. 5. Pp. 1804—1812.
22. Александров А.Ф. и др. 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.
---
Для цитирования: Попов О.А., Старшинов П.В., Васина В.Н. Исследование характеристик индукционной бесферритной ртутной лампы низкого давления с замкнутой разрядной трубкой // Вестник МЭИ. 2018. № 4. С. 89—96. DOI:10.24160/1993-6982-2018-4-89-96.
#
1. Shaffer J., Godyak V.A. The Development of Low Frequency High Output Electrodeless Fluorescent Lamp. J. Illuminating Eng. Soc. 2013;28 (1):142—148.
2. Isupov M.V., Ulanov I.M., Litvintsev A.Yu., Kolmakov K.N. Eksperimental'noe Issledovanie Energeticheskih Harakteristik Induktsionnogo Razryada Transformatornogo Tipa v Parah Rtuti. Teplofizika i Aeromekhanika. 2002;9:151—161. (in Russian).
3. Gvozdev-Karelin S.V. Osobennosti i Primery Primeneniya Bezelektrodnoy Lyuminestsentnoy Lampy Endura Firmy Osram. Svetotekhnika. 2006;3:9—12. (in Russian).
4. Popov O.A., Chandler R.T. Induktivnyy Istochnik Sveta Transformatornogo Tipa na Chastotah 150—400 kGts Moshchnost'yu 200—500 Vt. TVT. 2007;4:795—800. (in Russian).
5. Pat. 7183717 US. Inductively-driven Plasma Light Source.
6. Isupov M.V., Krotov C.B., Litvintsev A.Yu., Ulanov I.M. Induktsionnaya Ul'trafioletovaya Lampa. Svetotekhnika. 2007; 5:37—40. (in Russian).
7. Godyak V. Ferromagnetic Enhanced InductivePlasma Sources. J. Phys D. Appl. Phys. 2013; 46; 28:1—23.
8. Kobayashi S., Hatano A. High-intensity Lowpressure Electrodeless Mercury-argon Lamp for UV Disinfection of Wastewater. J. Water and Environment Techn. 2005; 3;1:71—76.
9. Svitnev S.A., Popov O.A., Levchenko V.A. Harakteristiki Vysokochastotnoy 13,56 MGts Besferritnoy Induktsionnoy Ul'trafioletovoy Lampy. Prikladnaya Fizika. 2015; 6:92—97. (in Russian).
10. Popov O.A., Chandler R.T. Ferrite-free High Power Electrodeless Fluorescent Lamp Operated at a Frequency of 160—1000 kHz. Plasma Sources Sci. Tech. 2002; 11; 2:218—224.
11. Popov O.A., Nikiforova V.A. Induktsionnyy Besferritnyy Istochnik Sveta Moshchnost'yu 300—400 Vt na Chastote 200—400 kGts. Vestnik MPEI. 2010; 2:159—164. (in Russian).
12. Lister G.G., Cox M. Modeling of Inductively Coupled Discharges with Internal and External Coils. Plasma Sources Sci. Tech. 1992; 1; 1:67—73.
13. Nikiforova V.A., Popov O.A. Prostranstvennoe Raspredelenie Parametrov Plazmy Induktsionnogo Razryada v Besferritnoy Lampe Zamknutogo Tipa. Vestnik MPEI. 2010; 5:111—117. (in Russian).
14. Denneman J.W. Determination of Electromagnetic Properties of Low-pressure Electrodeless Inductive Dischar-ges. J. Phys. D. Appl. Phys. 1990; 23:293—298.
15. Piejak R.B., Godyak V.A., Alexandrovich B.M. A Simple Analyses of an Inductive RF Discharge. Plasma Sources Sci. Tech. 1992; 1; 3:179—185.
16. 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.
17. Levchenko V.A., Popov O.A., Svitnev S.A., Starshinov P.V. Elektricheskie i Izluchatel'nye Harakteristiki Lampy Transformatornogo Tipa s Razryadnoy Trubkoy Diametrom 16,6 mm. Svetotekhnika. 2016; 1:41—44. (in Russian).
18. Isupov M.V., Fedoseev A.V., Suhinin G.I., Ulanov G.I. Eksperimental'noe i Teoreticheskoe Issledovanie Nizkochastotnogo Induktsionnogo Razryada Transformatornogo Tipa. Teplofizika i Aeromekhanika. 2014; 5:681—692. (in Russian).
19. Cunge G., Crawly B., Vender D., Turner M.M. Anomalous Skin Effect and Collisionless Power Dissipation in Inductively-coupled Discharges. J. Appl. Phys. 2000; 89; 7:3580—3589.
20. Hyo-Chang Lee, Seung Ju Oh, Chin-Wook 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. of Plasma. 1999; 6; 5:1804—1812.
22. Aleksandrov A.F. i dr. 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).
---
For citation: Popov O.A., Starshinov P.V., Vasina V.N. The Characteristics of a Ferrite-free Closed-loop Inductively-coupled Low-pressure Mercury Discharge Lamp. MPEI Vestnik. 2018;4:89—96. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2018-4-89-96.
Downloads
Published
2018-08-01
Issue
Section
Electrical Engineering (05.09.00)
