179717. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és fluorescens lámpa fény előállítására zárt térben előidézett elektróda nélküli kisüléssel
7 179717 Ő tér értéke L—, egységnyi tekercshosszra vonatkoztatva, dt di ahol L a tekercs szabadtéri induktivitása és — azindukdt ciós tekercs áramának változási sebessége, ez utóbbi értéke coi. így a találmány szerinti megoldásnál az indító villamos tér erőssége egyenesen arányos az indukciós tekercsben alkalmazott frekvenciával és az indukciós tekercs áramával. Külső indítóeszközre nincs szükség, ha ezeket a paramétereket a fentiek értelmében választjuk meg. Ezen az alapon a kis nyomáson kisülést létrehozó nagytisztaságú gázoknál az optimális térfrekvenciát annak figyelembevételével határozhatjuk meg, hogy egy tipikus kisülési elektront az ionizációs sebességre olyan távolságon kell felgyorsítani, amely megfelel az átlagos szabad úthossznak, és olyan idő alatt, amely megfelel a letörést létrehozó villamos tér szinuszos periódusa egynegyed részének. Ennél nagyobb frekvenciák esetén az ionizációs fok kisebb lesz az elérhető maximumnál, mivel a „tipikus” ionizáló elektron, amely nincs fázisban az alkalmazott térrel, átlagos szabad úthosszán nem fogja elérni az ionizációs sebességet és le fog lassulni a részecske, miáltal nem ionizáló, hanem csak „termikus” ütközéseket fog végrehajtani. A fenti értéknél kisebb frekvenciák esetén viszont azért kisebb az ionizációs fok az elérhető maximumnál, mivel az átlagos szabad úthossz végén az elektron sebessége kisebb lesz az ionizációhoz szükségesnél. Ezen túlmenően a kisülés fenntartásához elégséges mértékű ionizáció mindkét esetben csak úgy biztosítható, ha az indukciós tér erősségét a szükséges minimális értékhez képest megnöveljük, és ezáltal kompenzáljuk azt, hogy az ionizációs fok kisebb az optimálisnál. Mivel a kisülési energiaigény az indukciós tér erősségének négyzetével arányos, jelentékeny és indokolatlan mértékű energiaveszteséget eredményez, ha a tér frekvenciáját nem megfelelően választjuk meg. Az elektróda nélküli kisnyomású ívkisüléseknél az indukciós tér frekvenciáját a fentiek alapján általában néhány MHz és néhány száz MHz, célszerűen 3 és 300 MHz közötti értékre választjuk, aminek szokásos kisnyomású gázkisülés esetén néhány 10-4 gauss-os indukciós térerősség felel meg néhány tíz wattos kisülési energiaszint mellett. Fontos helyzet adódik, ha kisülést előidéző gázok és/vagy gőzök bizonyos keverékeit alkalmazzuk a Penni ng-effektusnak elektróda nélküli ívkisülésnél való hasznosítása céljából. A Penning-effektus kihasználásához szükséges, hogy kisülést előidéző gázok olyan keveréke legyen jelen, amelyben a többségi típusnak legalább egy olyan metastabil állapota legyen, amelynek energiája nagyobb, mint a kisebbségi típus ionizációs energiája. Mint ismeretes, a kiválasztási szabály a metastabil állapot sugárzásos legerjesztését igen valószínűtlenné teszi, ezért ezeket az állapotokat kivételesen hosszú élettartamok jellemzik (10—100 ms), és az ilyen állapotok depopulációja nagyrészt ütközések útján megy végbe. A Penning-keverékben a metastabilan gerjesztett többségi típus ütközéses depopulációja azt eredményezi, hogy a kisebbségi összetevő ionizálódik, mivel az előbbi metastabil energiája nagyobb, mint az utóbbi ionizációs energiája. A folyamat tehát igen hatékonyan segíti elő az izonizációt, mivel minden ilyen ütközés ionizál. A fénycsőtechnológiában egy szokásos plazmaképző Penning-keverék például az, amelynél a kisebbségi összetevő higanygőz argon háttérrel. A kisnyomású higanykisülés jó hatásfokú forrása a fényporok gerjesztésére általánosan alkalmazott 253,7 nanométer hullámhosszúságú ultraibolya sugárzásnak. A higany villamos letörését, amely atomonként 10,4 elektronvoltot igényel, megkönnyíti az argon jelenléte, amelynek metastabil állapotai 11,49 és 11,66 elektronvolt között vannak. Ebben a keverékben a higany kezdeti letörési feltételeit nagy mértékben enyhíti az, hogy a metastabilan gerjesztett argon élettartama viszonylag hosszú. Tehát Penning-keverékben végbemenő kisülés esetén az indukciós tér frekvenciája kisebb lehet, mint tiszta higanyban végbemenő kisülés esetén. Általában fluoreszcens világítási megoldásoknál, ha üzemi körülmények között néhány torr a teljes nyomás és a kisülést produkáló gáz héliumból, neonból vagy argonból, valamint higanyból álló Penning-keverék, néhány MHz-es frekvenciájú tér is elégséges az elektróda nélküli fluoreszcens lámpa működtetéséhez. A fenti frekvencia mellett a kisülés fenntartásához szükséges indukciós tér értéke közvetlenül a fenntartáshoz szükséges feszültségből határozható meg, amely általában a kisülési út 1 cm-ére vonatkoztatva néhány V értékű. Összefoglalva: a mágneses indukciós tér erőssége és frekvenciája, a közeget alkotó gáz összetétele és a gáz nyomása úgy van egymáshoz rendelve, hogy a közeg elektronjai szabad úthosszukon a térfrekvencia szinuszos periódusa egynegyedének megfelelő idő alatt gyorsulnak fel az ionizációs sebességre. Ily módon a rádiófrekvenciás energia fénnyé való átalakításának hatásfoka optimális lesz. Mivel az átalakítási hatásfok a mágneses indukciós tér erősségétől, annak frekvenciájától, továbbá az alkalmazott gáz vagy gázkeverék összetételétől és nyomásától, illetve parciális nyomásától függ, az átalakítási hatásfoknak ezen paraméterek bármelyikének függvényében van egy optimális értéke, ha a további három paraméter konstans. így ha más megfontolások előírnak bizonyos értékeket három paraméterre (általában a gáz összetételére, nyomására és a mágneses indukciós tér erősségére vagy frekvenciájára), a fennmaradó paramétert, vagyis a mágneses indukciós tér frekvenciáját vagy erősségét oly módon változtathatjuk, hogy optimális átalakítási hatásfokot kapjunk. Az 5. ábra egy adott kisülés átalakítási hatásfokát szemlélteti a mágneses indukciós tér f frekvenciájának és B erősségének függvényében. Mint látható, minden egyes kiválasztott frekvenciának megfelel egy erősségérték, amelynél az átalakítási hatásfok optimális, értékei általában 3 és 300 MHz között a legnagyobbak. A 6. ábra a mágneses indukciós tér B erősségét a tér f frekvenciájának és egy adott gáz P nyomása reciprokértékének függvényében szemlélteti. Az elektronikus elemek jelenlegi fejlettségi szintje bizonyos korlátokat szab a rádiófrekvenciás energia frekvenciájának abban a tekintetben, hogy az egyenáram átalakításának hatásfoka és költsége még megfelelő legyen a szokásos izzólámpákkal versenyképes lámpák létrehozásához. A 3. ábra kapcsán a 19 lámpafejbe beépíthető rádiófrekvenciás oszcillátor egy olyan kiviteli alakját ismertetjük, amely viszonylag mérsékelt árú alkatrészek 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 4
