Компьютерное моделирование и расчет оксидного катода натриевой лампы низкого давления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.07, кандидат наук Базаркин, Александр Федорович

• Базаркин, Александр Федорович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Базаркин, Александр Федорович

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

1 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОКСИДНЫХ КАТОДАХ

1.1 Особенности конструкции катодов электровакуумных и газоразрядных приборов

1.2 Формирование эмиссионного слоя катода

1.3 Взаимодействие керна катода с оксидным слоем

1.4 Термоэлектронная эмиссия

1.5 Влияние состояния поверхности катода на термоэлектронную эмиссию

1.6 Влияние натрия на физические свойства оксидных катодов

1.7 Моделирование физических процессов в оксидном катоде

1.8 Выводы и задачи работы

2 МОДЕЛИРОВАНИЕ И КОМПЬЮТЕРНЫЙ РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ

ОКСИДНОГО КАТОДА

2.1 Математическая модель работы выхода оксидного катода

2.2 Компьютерный расчет параметров бариевого катода

2.2.1 Алгоритм расчета параметров бариевого катода

2.2.2 Расчет работы выхода и электропроводности бариевого катода

2.3 Особенности расчета параметров оксидного катода на основе (Ва8гСа)0

2.4 Расчет работы выхода и электропроводности оксидного покрытия (Ва8гСа)0

Выводы

3 КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ОКСИДНОГО

КАТОДА ПРИ АДСОРБЦИИ НАТРИЯ

3.1 Адсорбция натрия на оксидном катоде

3.2 Диффузия атомов натрия и восстановление бария в объеме катода

3.3. Влияние натрия на работу выхода бариевого катода

3.4 Компьютерное моделирование работы выхода бариевого катода

при адсорбции натрия

3.5 Компьютерный расчет работы выхода и электропроводности оксида бария и тройного оксида при воздействии натрия

3.5.1 Работа выхода электронов и электропроводность оксидного катода без учета диффузии натрия

3.5.2 Работа выхода электронов и электропроводность оксидного катода с учетом диффузии натрия

Выводы

4 КОМПЬЮТЕРНЫЙ РАСЧЕТ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛОГО КАТОДА В НАТРИЕВОЙ ЛАМПЕ ДНаО-85

4.1 Оптимизация конструкции натриевой лампы

4.2 Использование полого катода в натриевых лампах низкого давления

4.3 Уравнение баланса подводимой и рассеиваемой катодом электрической мощности

4.4 Расчет параметров полого катода натриевой лампы ДНаО-85М

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

ПРИЛОЖЕНИЕ 5

ПРИЛОЖЕНИЕ 6

ПРИЛОЖЕНИЕ 7

ПРИЛОЖЕНИЕ 8

ПРИЛОЖЕНИЕ 9

ПРИЛОЖЕНИЕ 10

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Компьютерное моделирование и расчет оксидного катода натриевой лампы низкого давления»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность

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.

Основные направления работ по совершенствованию конструкции и технологии изготовления лампы ДНаО-85 детально сформулированы в статье [2].

Исследования показали, что увеличение световой отдачи лампы ДНаО-85 может быть достигнуто путем нанесения на разрядную трубку (РТ) теплоотража-ющей 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 (ВаБгСа)О с учетом адсорбции и массопе-реноса 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 (Ва8гСа)0.

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.

Объект исследования

Натриевые лампы низкого давления ДНаС-18, ДНаО-85. Оксидные катоды натриевых ламп.

Методология и методы исследования

Для исследования физико-химических процессов, протекающих в оксидных катодах натриевых ламп, использовался метод компьютерного моделирования, который ранее не применялся в этой области, о чем свидетельствует отсутствие публикаций.

Исследование процессов адсорбции и массопереноса натрия на границе раздела фаз пары натрия-твердое тело осуществлялось методом Монте-Карло с применением имитационного моделирования. Для решения уравнения баланса подводимой к полому катоду электрической мощности и рассеиваемой им использовался численный метод его решения.

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 ваканси-онном 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», 3^1 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.

1 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ОКСИДНЫХ КАТОДАХ

Оксидные катоды являются базовыми элементами конструкций электровакуумных и газоразрядных приборов, в частности, лазеров с парами натрия, натриевых ламп низкого и высокого давлений, источников ионов.

Напряжение зажигания разряда и стабильность работы приборов с парами натрия во многом определяются влиянием натрия на эмиссионные свойства оксидного катода. В ряде приборов с парами натрия используются катоды, изготовленные на основе композиции щелочноземельных металлов (барий, кальций, стронций, иттрий и др.)

Отсутствие достоверных данных по работе выхода, электропроводности катодов затрудняет совершенствование конструкции, расчет и проектирование таких приборов.

Экспериментальное определение указанных параметров вызывает известные затруднения. Они связаны с высокой химической активностью натрия, сложной конструкцией экспериментальных приборов и высокой стоимостью проводимых экспериментов.

Использование компьютерного моделирования в катодной электронике позволяет описать: процессы формирования зон с локальными донорными центрами в поверхностном слое оксидного катода; образование дипольного слоя щелочного металла; диффузию и адсорбцию натрия в катодном покрытии; воздействие металла керна на свойства катода; установление связи работы выхода и электропроводности оксидного катода при заданных условиях его работы.

Возникает актуальная необходимость проведения анализа физико-химических процессов, протекающих в катодах в условиях вакуума и натриевого разряда.

В данной главе рассматривается формирование эмиссионного слоя катода, взаимодействие керна с оксидным катодом и термоэлектронная эмиссия. Приводится анализ литературы по влиянию состояния поверхности катода на термо-

электронную эмиссию. Излагаются отдельные результаты исследований по влиянию натрия на эмиссионные свойства оксидного катода в вакууме и в натриевом разряде. Рассматривается моделирование отдельных физических процессов в оксидных катодах, сформулированы основные выводы и задачи исследований.

1.1 Особенности конструкции электродов разрядных приборов

Электроды разрядных ламп, работающие на переменном токе, являются базовыми элементами их конструкции.

В разрядных лампах, в частности люминесцентных и натриевых, применяются самокалящиеся электроды. Они выполняются в форме биспирали, триспира-ли и бифиляра. На рисунке 1 приведена конструкция электродного узла люминесцентной лампы. Электрод 1 представляет собой спираль, имеющую форму биспирали или триспирали, выполненную из вольфрамовой проволоки (Рисунок 1)

Рис. 1. Конструкция электродного узла люминесцентной лампы: 1 - оксидированная спираль из вольфрамовой проволоки, 2 - никелевый ввод, 3 - лопаточка, 4 - отверстие для штенгеля, 5 - тарелочка, 6 - медно-платиновые вводы,

7 - штенгель, (а) - биспираль, (б) - триспираль В таблице 1 приведены геометрические параметры моноспирали, биспирали и триспирали ламп ЛБ-20 и ЛБ-40 [4].

[3,4].

а)

Таблица 1 - Геометрические параметры электрода

Применение Моноспираль Биспираль Триспираль

Ь-н, ¿к1 ¿к2 Ьк2 Число витков ¿кЗ £кЗ Число витков (1к4 Число витков '■сп Ь* 1т

мкм мкм мкм мкм мкм мкм на 1 мм общ. мкм мм на 1 мм обш. мм на 1 мм Обш. мм мм мм

ЛБ-20 28,0 562 50 180 60 180 8 1440 200 44 4 176 0,78 1,6 8 5,0 20 6,5

ЛБ-40 32,5 506 54 249 80 204 4 996 210 55 4 220 0,87 1,43 10 7,0 21 6,5

Примечания: Ьм? - собственный диаметр и длина вольфрамовой проволоки, с1ы, Ьк1 - диаметр и длина основной вольфрамовой проволоки, с1к2, с1к3, Ьк2, Ькз -диаметры и длины соответствующих молибденовых кернов, с1к4 - диаметр стального керна, 1сп - длина триспирали, 1т - длина тире, Ь - общая длина электрода, * - размер для справок.

Приведенная конструкция электрода позволяет осуществлять его предварительный накал. Электрод имеет большой запас активатора. Надежное сцепление активатора с проволочным катодным каркасом способствует быстрому нагреванию электрода, благодаря чему ускоряется переход тлеющего разряда в дуговой. Электроды этого типа обеспечивают большой срок службы люминесцентных ламп [3].

В натриевых лампах низкого давления применяются самокалящиеся три-спиральные оксидные катоды бифилярного типа (Рисунок 2).

Рис. 2. Триспиральный оксидный катод бифилярного типа [3]

Достоинствами таких катодов являются возможность возобновления эмит-тирующего вещества на поверхности катода и защита активного вещества от действия ионной бомбардировки и перегрева.

Электрод натриевых ламп высокого давления представляет собой керн из вольфрамовой проволоки, активированной торием и иттрием (Рисунок 3).

Рис. 3. Электрод натриевой лампы высокого давления: 1 - керн из вольфрама,

В конструкции электродов натриевых ламп в качестве эмиттера применяют сложные вольфраматы щелочноземельных металлов (ЩЗМ). В натриевых лампах высокого давления мощностью менее 150 Вт используют синтерированные электроды, спекаемые из смеси порошков тугоплавких металлов с активирующими присадками.

В разрядных лампах низкого давления целесообразно применять полый электрод. В [5] приводится конструкция полого электрода (Рисунок 4).

Рис. 4. Полый синтерированный электрод: 1 - колпачок, 2 - спеченная масса, 3 - торцевое отверстие, 4 - внутренняя рабочая поверхность

2 - спираль, 3 - оксидная паста

1

Полый электрод обладает преимуществом по сравнению с традиционными электродами. В нем уменьшается эрозия катодного материала, он способен работать в агрессивных средах, выдерживать большие токовые нагрузки и обеспечивать стабильное горение дуги [5].

1.2 Формирование эмиссионного слоя катода

Теоретическим и экспериментальным исследованиям эмиссии оксидным катодом электронов и ионов, а также изучению их физических свойств посвящено множество работ, в частности [6, 7].

В [6] рассматриваются виды электронной и ионной эмиссии, поверхностная ионизация и взаимодействие ионов с поверхностью твердого тела. Б. П. Никонов в книге [8] обобщает результаты исследований физики и техники оксидных катодов. В [9] основное внимание уделено термоэлектронной эмиссии оксидного катода и физическим явлениям при активировании и отравлении.

Катоды электровакуумных и газоразрядных приборов имеют различную конструкцию. Возможные конструкции оксидных катодов даны в работах [6, 10]. На рисунке 5 приведена схема оксидного катода в приборе после его термовакуумной обработки и активировки. Катод состоит из металлической подложки -керна 1. Поверхность керна покрыта оксидами щелочноземельных металлов 3.

3 4

Рис. 5. Схема оксидного катода в приборе: 1 - керн, 2 - промежуточный слой, 3 — оксидное покрытие, 4 - поверхностный слой Механической основой катода служит керн. Он обычно изготавливается из никеля и его сплавов, молибдена, вольфрама, тантала, платины и других металлов. Керн является источником химических элементов, активирующих оксид при

его обработке в приборе. После активировки катода между оксидным покрытием и керном образуется промежуточный слой толщиной в несколько микрон. Слой образуется в результате химической реакции металла керна или примесей в нем с материалом оксидного покрытия. В зависимости от материала керна промежуточный слой состоит из силикатов, вольфраматов, алюминатов бария, оксидов магния и т.д. Сопротивление промежуточного слоя в процессе работы прибора увеличивается [11], что приводит к нестабильности параметров катода, увеличению уровня радиопомех и сокращению срока службы.

До термовакуумной обработки покрытие катода состоит из смешанных кристаллов карбонатов щелочноземельных металлов: ВаС03 или ВаС03 8гС03СаС03. В процессе термовакуумной обработки катод претерпевает следующие изменения [12]: 1. Разложение и удаление биндера. 2. Разложение карбонатов щелочноземельных металлов с образованием их оксидов. 3. Спекание оксидов с образованием кристаллической решетки. 4. Активирование катода.

При температуре 1100 К образуются смешанные кристаллы оксидов щелочноземельных элементов, образование которых завершается при температуре 1300 К.

Оксидное покрытие имеет пористую структуру, состоящую из кристаллов оксидов. Размеры кристаллов составляют несколько микрон. Состав двойного оксида, применяемого в электровакуумных приборах, близок к эквимолярному ([ВаО]:[8гО] ~ 50:50 мол. %) [11]. Указанный состав покрытия катода обеспечивает минимальное значение его работы выхода электронов. Тройной оксид в составе ([ВаО]:[8гО]:[СаО] ~ 50:40:10 мол. %) более устойчив против спекания при практически такой же работе выхода электронов.

Смесь кристалликов ВаО и 8гО, получающаяся непосредственно после пиролиза карбонатов, переходит при длительном нагревании в твердый раствор. В решетке кристаллов металлоидные узлы заняты кислородом, а металлические -ионами Ва и 8г (Рисунок 6).

© © © © © © - Ва^

©©©©© ©-о©© ©©© ©"Ьг-©© ©©©

Рис. 6. Структура неактивированного двойного оксида В конце процесса разложения карбонатов катодное покрытие практически не эмиттирует электроны, и его следует активировать. Сущность процесса активирования катода заключается в том, что слой оксида превращается в полупроводник с электронной проводимостью. Улучшение эмиссионных свойств оксидного покрытия связано с частичным восстановлением атомов бария из оксидов щелочноземельных металлов и их последующим распределением в толще покрытия и на его поверхности (Рисунок 7).

© ©©©©© Щ- барий а) © ©Л°) ©© б)©©©©© О" пустой

©©©©© ©@©о© узел ©©©©© ©©©©©

Рис. 7. Структура активированного двойного оксида а) оксид со свободным атомом бария в междоузлии, б) оксид с пустым кислородным узлом Появление свободного бария в решетке оксида связано с образованием в ней пустых кислородных узлов (Рисунок 7 (б)).

На рисунке 8 приведена зонная схема оксидного катода [11]. Полная работа выхода оксида е<р складывается из внутренней /и и внешней х работ выхода, то есть:

е(Р=М+Х- (1)

Внутренняя работа выхода ответственна за переход электронов с донорных уровней в зону проводимости. Она определяется избыточной концентрацией доноров, глубиной залегания донорных энергетических уровней Еа и температурой оксида.

Вакуум

Зона проводимости

Уровнидоноров

Уровень Ферми

Запрещенная зона

Уровни акцепторов

Валентная зона

Рис. 8. Зонная схема оксида: Е3 - энергетическая ширина запрещенной зоны, Ел - энергия донорных уровней, Еа- энергия акцепторных уровней, 1 - переход электронов в зону проводимости, 2 - переход электронов в вакуум, 3 - захват

электронов акцепторным центром Внешняя работа выхода зависит от структуры кристаллов оксида и наличия адсорбированных слоев и дефектов на поверхности кристаллов. У активированного оксида / = 0,7-1,0 эВ и полная работа выхода составляет 1,6-1,8 эВ.

С увеличением температуры работа выхода медленно увеличивается по формуле:

где есро - начальная работа выхода, а - температурный коэффициент работы выхода.

Акцепторной примесью в оксиде является растворенный и адсорбированный кислород. Акцепторные центры выполняют роль ловушек, в которые попадают электроны из донорных центров, вместо того, чтобы участвовать в эмиссии. Чтобы превратить оксид в полупроводник с высокими эмиссионными свойствами, необходимо создать в нем примесь атомов чистого бария. Такие атомы вносят в зонную схему оксида донорные локальные уровни, превращающие оксид в полупроводник.

Полная активировка катода достигается при проведении ее двумя этапами: термической и электролитической активировками.

Термическая активировка достигается кратковременным нагревом катода до температур, лежащих в пределах 1200-1320 К.

е(р = е(р0 + аТ,

(2)

В процессе электролитической активировки катода участвуют атомы кислорода, входящие в состав оксида. После присоединения электронов к атомам кислорода атомы становятся отрицательными ионами. Под действием электрического поля, ускоряющего движение отрицательных ионов, происходит их вытягивание из оксида в вакуум (Рисунок 9).

Рис. 9. Электролитическое перемещение ионов кислорода в оксиде: 1 - керн катода, 2 - оксидный слой, 3 - анод, @ - отрицательный ион кислорода, О - вакантный кислородный узел В решетке оксида остаются вакантные кислородные узлы. На них перемещаются ионы кислорода из глубины оксидного покрытия. Таким образом, вакантные узлы оказываются продвинутыми вглубь решетки, что обуславливает появление свободного бария.

Наиболее полная информация о формировании структуры эмиссионного покрытия может быть получена в результате расчета кинетики химических реакций, протекающих при вакуумно-термической обработке эмиссионных материалов [13]. Термодинамические вычисления связаны с определением тепловых эффектов химических реакций, влияющих на переход системы из одного равновесного состояния к другому. По мнению авторов [13], указанные вычисления сложны для реализации на ЭВМ из-за разнообразия гетерогенных реакций, протекающих в оксидном катоде. Кроме того, при температурах, существующих в электронных приборах при вакуумно-термической обработке катодов, система находится в состоянии близком к термодинамическому равновесию [14].

Авторами [13] предложена методика вычисления химического и фазового состава оксидного эмиссионного материала в процессе его вакуумной - термической обработки и активирования с использованием ЭВМ. Предложенная авторами

методика основана на разделении процесса обработки катода на отдельные интервалы, в пределах которых система считается термодинамически квазиравновесной.

Оксидное покрытие катода после термовакуумной обработки имеет пористую структуру. Покрытие состоит из кристалликов смешанных оксидов. Их размеры составляют несколько микрон. Схематически структура оксидного слоя показана на рисунке 10.

Граница оксида

Керн

Рис. 10. Схематическое изображение оксидного покрытия

Кристаллы оксидного покрытия имеют форму иголочек, многогранников, сфероидов, пирамид и др. Между отдельными кристаллами имеются сообщающиеся поры.

1.3 Взаимодействие керна катода с оксидным слоем

Взаимодействие керна катода с оксидным покрытием происходит в процессе термовакуумной обработки и активировки катода.

При активировании катода роль керна сводится к ускорению формирования оксидного слоя [15]. При высоких температурах активирования катода на вольфрамовых и молибденовых кернах образуются химические соединения, например, между вольфрамом и оксидом бария Ва2\\Ю6 [16]. Он образуется в системе, содержащей избыток бария. При недостатке оксида бария образуются соединения Ва2\\Ю5, Ва2\\Ю4, ВаО\\Ю2 [3]. Наличие указанных соединений в прослойке между керном и покрытием ограничивает получение высокой эмиссии.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Базаркин, Александр Федорович, 2015 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Продукты OSRAM. URL: http://www.osram.ru/osram_ru/products/ (дата обращения: 14.07.2014).

2. Пустовит В. М., Лаврентьев Б. В., Свешников В. К. Разработка натриевой лампы низкого давления // Электрические источники света. Труды ВНИИС. Саранск. 1972. № 4. С. 94-104.

3. Рохлин Г. Н. Разрядные источники света. - 2-е изд., перераб. и доп. М. : Энергоатомиздат, 1991. 720 с.

4. Ашрятов А. А. Процессы на электродах и приэлектродных областях люминесцентных ламп при питании импульсным током повышенной частоты (Расчет, моделирование и экспериментальные исследования). Саранск : Из-во СВМО, 2011. 128 с.

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

6. Добрецов Л. Н., Гомоюнова. М. В. Эмиссионная электроника. М.: Наука, 1966. 564 с.

7. Дюбуа Б. Ч., Королев А. П. Современные эффективные катоды // Электронная техника. Сер.1. СВЧ - техника. 2011. Вып. 1 (508). С. 5-24.

8. Никонов Б. П. Оксидный катод. М. : Энергия, 1979. 240 с.

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

480 с.

10. Свечников С. В. Газотроны и тиратроны. Киев : ГИТЛ. УССР, 1961.

322 с.

11. Иориш А. Е., Кацман Я. А., Птицын С. В., Шейнгауз А. А. Основы технологии производства электровакуумных приборов. Технохимические процессы электровакуумного производства. М. : Энергия, 1971. 312 с.

12. Тягунов Г. А., Юдинская И. В. Термоэлектронные катоды электровакуумных приборов // Успехи электровакуумной техники. М. Л. : ГЭИ. 1956. С. 5-53.

13. Коваленко Ю. А., Королев Д. С. Термодинамика процессов протекающих при вакуумно-термической обработке оксидных эмиссионных материалов // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ - техника. Вып. 2 (509). 2011. С. 56-62.

14. Синеряев Г. В., Слинько Л., Трусов В. Г. Принципы и методы определения параметров равновесия // Московский технологический университет им. Н. Э. Баумана. 1978. № 268.

15. Alen А. С., Duran J. С., Gents 1.1., Griffioen A. I. Chemical transport in oxide cathodes // Philip.Res.Rep. 1971. V. 26. № 6. P. 518-531.

16. Жмудь E. С., Остапенко E. П. Изучение системы Ba0-W03 // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. 1959. № 3. С. 137-147.

17. Птицын C.B. Физические явления в оксидном катоде. М. Л. : ГТТЛ, 1948. 136 с.

18. Герман Г., Вагнер С. Оксидный катод. М. : Гостехиздат, 1949. 508 с.

19. Nottinghamg W. В. Thermionic emission // Handbuch der Physik (S. Flügge, Ed.) Springer-Verlag, Berlin. 1956. V. 21. P. 3-175.

20. Соболев В. Д. Физические основы электронной техники. М. : Высш. школа, 1979. 448 с.

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

22. Никонов Б. П., Бейнар К. С. Термоэлектронная эмиссия оксидного катода в потоке бария // Радиотехника и электроника. 1970. Т. 15. № 6. С. 1272-1282.

23. Зандберг Э. Я., Ионов Н. И Поверхностная ионизация. М. : Наука, 1969.

432 с.

24. Пикус Г. Я., Тетеря В. П., Шнюков В. Ф. Влияние постоянного электрического поля на электропроводность окислов щелочноземельных металлов // Радиотехника и электроника. 1969. T. XIV. № 1. С. 184-186.

25. Никонов Б. П. Модель оксидного катода с поверхностными донорными центрами // Изв. акад. науки. СССР. 1971. T. XXXV. № 2. С. 270-277.

26. Князев А. Я. Влияние поверхности на работу выхода и электропроводность оксидного катода // Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ. 1972.

№ 9. С. 54-66.

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

28. Бейнар К. С., Никонов Б. П. Исследование влияния поверхностных состояний на термоэлектронные свойства окислов щелочноземельных металлов // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1971. Т. 35. № 2. С. 286-294.

29. Бейнар К. С., Никонов Б. П. Эмиссионные свойства окислов стронция и кальция в потоке окиси бария // Радиотехника и электроника. 1967. Т. 12. № 5. С. 867-872.

30. Никонов Б. П., Бейнар К. С. Эмиссионные и адсорбционные свойства систем BaO-Ba, SrO-Ba, СаО-Ва // Радиотехника и электроника. 1965. Т. 10. № 3. С. 476-482.

31. Аристархова А. А., Волков С. С. // Тезисы докладов IV Всесоюзного симпозиума но современным проблемам физики вторичной и фотоэлектронной эмиссии. Ленинград : ЛГУ. 1981. С. 60-61.

32. Аристархова А. А., Буряк В. П., Волков С. С., Гутенко В. Т., Магдеев Ш. Н., Поздняков В. П., Толстогузов А. Б., Щуппе Г. Н. Применение метода рассеяния ионов низких энергий для элементного анализа поверхности твердого тела // Электроника. 1973. С. 79-82.

33. Пикус Г. Я., Ракитин С. П., Самойленко В. М., Кочетков В. И. Высокоэффективный термокатод на основе окислов щелочных земельных металлов // Тезисы докладов XXI Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике. Л. : ЛГТУ. 1990. Ч. 1.С. 230.

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

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

36. Свешников В. К., Молин В. Н., Карташова М. В Моделирование процесса активирования бариевого катода при различных температурах // Фундаментальные и прикладные проблемы физики: сборник материалов V Международной

научно-технической конференции. Мордов. гос. пед. институт. 2009. С. 307-311.

37. Шухтин А. М., Табилов А. С. Лазер на линиях натрия при рекомбинации NacH" //Физика газовых лазеров. Л. : ЛГУ. 1969. С. 122-144.

38. Данилина 3. В., Корочков Ю. А., Лавров И. С., Руднев В. Н. Исследование эмиссионных свойств окислов в парах натрия // Светотехника. 1973. № 10. С. 12-13.

39. Родин А. Л. Поверхностная ионизация атомов натрия на оксидном катоде // Мордовское книжное издательство. Саранск. 1972. С. 10-19.

40. Сорокин О. В. Воздействие различных веществ на термоэмиссионные свойства оксида // Электронное приборостроение. М. Л. : Энергия. 1967. Вып. 3. С. 34-88.

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

42. Свешников В. К. II Тез. докл. XXI Всесоюз. конф. по эмиссионной электронике. Л. : ЛГТУ. 1990. Т. 1. С. 202.

43. Свешников В. К. Исследование влияния натрия на вторично-эмиссионные свойства оксидного катода // Тез. докл. IV Всесоюз. симпоз. по современным проблемам физики вторичной и фотоэлектронной эмиссии. Л. : ЛГУ. 1981. С. 5.

44. Свешников В. К., Свешникова Н. М. // Тез. докл. XXI Всесоюз. конф. по эмиссионной электронике. Л. : ЛГУ. 1990. Т. 2. С. 121.

45. Свешников В. К. Влияние натрия на вторичную электронную эмиссию окиси бария // Электронная техника. Сер. 4. Электровакуумные и газоразрядные приборы. 1984. Вып. 6. С. 70-71.

46. Свешников В. К. Влияние натрия на коэффициент ионно-электронной эмиссии оксидного катода // Электронная техника. Сер. 4. Электровакуумные и газоразрядные приборы. 1978. Вып. 2. С. 83-85.

47. Свешников В. К. Механизм формирования и свойства системы BaO-Na в разряде // Тез. докл. XIX Всесоюз. конф. по эмиссионной электронике. Ташкент. 1984. С. 140.

48. Свешников В. К. О формировании диода Шоттки на оксидном катоде // Электронная техника. Сер. 4. Электровакуумные и газоразрядные приборы. 1985. Вып. 1. С. 6-8.

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

50. Свешников В. К., Молин В. Н., Дарьюшкин Д. В. Диффузия натрия в кристалле оксида бария // Источники излучения. 2002. С. 43-49.

51. 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. 489-493.

52. Свешников, В. К., Молин В. Н., Кузина О. Н. // Вакуумные технологии и оборудование: Сб. докл. 4-го Междунар. Сими. Харьков: НИЦ «Контраст». 2001. С. 74

53. Болтакс Б. И. Диффузия в полупроводниках. М. : ГИФМЛ, 1961. 137 с.

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

55. Свешников В. К. Дьяконова В. И., Базаркин А. Ф. Методика расчета работы выхода бариевого катода // Фундаментальные и прикладные проблемы физики: сборник материалов VIII Международной научно-технической конференции. Уч. экс-т в обр-и. Саранск. 2013. №3. С. 82-84.

56. Шалимова К. В. Физика полупроводников. М. : Энергоатомиздат, 1985.

392 с.

57. Levine J. D., Mark P. Theory and abservation of intrinsic surface states on ionic crystals // Phys. Rev. 1966. V. 144. № 2. P. 751.

58. Levine J. D. The nature of surface state on III-V and II-VI semiconductors // Journ. Vac. Sci. and Techn. 1969. V. 6. № 5. P. 5499.

59. Pel 1 E. M. Hall effect in single crystals of BaO // Phys. Rev. 1952. V. 87. P.

60. 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.

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

62. Свешников В. К., Базаркин А. Ф. Физическая модель и компьютерный расчет коэффициента диффузии натрия в оксидное покрытие катода // Фундаментальные исследования. 2014. № 5. Часть 5. С. 990-994.

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

64. Свешников В. К. Влияние натрия на электронно-эмиссионные свойства оксидного катода // Электронная техника. Сер.4. Электровакуумные и газоразрядные приборы. 1982. Вып. 2. С. 13-15.

65. Де-Бур Д. Г. Электронная эмиссия и явления адсорбции. М. : Л. : ОНТИ, 1936.315 с.

66. Дэшман С. Научные основы вакуумной техники. М. : Издательство иностранной литературы, 1950. 695 с.

67. Волькенштейн Ф. Ф. Физико-химия поверхности полупроводников. М.: Наука, 1973.400 с.

68. Горелик С. С., Дашевский М. Я. Материаловедение полупроводников и металловедение. М. : Металлургия, 1973. 496 с.

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

278 с.

70. Мурин А. Н., Лурье Б. Г. Диффузия меченых атомов и проводимость в ионных кристаллах. Л. : Издательство Ленинградского университета, 1967. 99 с.

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

72. Виноградов А. В., Шевченко В. И. Статическая дипольная поляризуемость атомов и ионов в модели Томаса-Ферми // Тр. ФИАН. 1980. Вып. 119.

С. 165.

73. Никольский Б. П. Справочник химика. Т. 1: Общие сведения, строение вещества, свойства важнейших веществ, лабораторная техника. JI. : Химия, 1966. 1072 с.

74. Субботин В. И., Сорокин В. П., Чулков Б. А. Теплообмен при конденсации калиевого и натриевого пара // Общие вопросы тепло и массообмена. Минск : Наука и техника. 1966. С. 247-255.

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

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

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

78. Клярфельд Б. Н. Натриевые трубки с повышенной светоотдачей // Электричество. 1936. № 12. С.8-13.

79. Иванов А. П. Электрические источники света. М. : Госэнергоиздат. 1955.

288 с.

80. Simpson M. Sox - the first half century // Light Eqip. News. 1984. № 212. P. 8-9.

81. Bruni S. Nuove lampade a vapori di sodio a bassa pressione con efficienza ancora aumentata// Luce. 1986. V. 25. №4. P. 173-176.

82. Вильчинская С. С., Лисицын В. M. Оптические материалы и технологии. Томск : Издательство Томского политехнического университета, 2011. 108 с.

83. 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.

84. Свешников В. К., Кирсанов Р. Ф. Об уменьшении радиопомех генерируемых люминесцентными лампами // Информэлектро. Электротехническая промышленность. 1974. Вып. 3 (27). С. 8-9.

85. Духонькин В. А., Конаков Е. В., Королев В. И. Экологически безопасная оксидная суспензия на водорастворимом связующем // Светотехника. 1997. № 2. С. 19-21.

86. Соболев В. Д. Распределение тока по поверхности накаленного оксидного катода в ионных приборах // Тр. МЭИ. 1958. Вып. XXVII.

87. Левин Г. Основы вакуумной техники. М. : Энергия. 1969. 272 с.

88. Свешников В. К. Об использовании пленочных катодов в лампах низкого давления // Светотехника и инфракрасная техника. 1980. № 7. С.14-15.

89. 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: 14.07.2014).

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Листинг программы «Расчет работы выхода оксидного катода»

Программа написана на языке программирования С++. В тексте диссертации приводится схема работы программы. В программе осуществляется расчет работы выхода оксидного катода (BaSrCa)O с учет изгиба зон в зависимости от температуры. Основными параметрами расчета являются: температура катода, концентрация и энергия донорных уровней в объеме. Результат расчета сохраняется в виде таблицы значений в файле "work(T).xls". По полученным значениям строится график зависимости работы выхода оксидного катода от температуры.

#include <cstdlib> #include <iostream> #include <math.h> #include <conio.h> #include <stdio.h> using namespace std;

int main(int argc, char *argv[]) {

cout«"Welcome to the calculation of the temperature dependence of the work function! "«endl;

cout«"Enter the Temperature range (K): "«endl;

cout«"Tl =";

int Tl;

cin»Tl;

int T=T1;

int T2;

cout«"T2 = ";

cin»T2; double Nd; int Nd_a, Nd_b;

cout«"volumetric concentration of donors"«endl;

cout«"Nd (cmA-3):

scanf("%d %d",&Nd_a, &Nd_b);

Nd==pow(Nd_a,Nd_b)*pow(l 0,6);

double hi=0.6* 1,6*pow(l 0,-19);

double k=1.38*pow(l 0,-23);

double mf=9.1 *pow(l 0,-31);

double h_=1.054*pow(l 0,-34);

double work;

double mu_l;

double Ed;

cout«" Depth of volume donors Ed (eV): "; cin»Ed;

Ed=Ed* 1.6*pow(l 0,-19); double nO; double fpsy; int diel=25;

double e=1.6*pow(10,-19); double psy;

double Ea=0.5* 1.6*pow( 10,-19); double Ep=0.9* 1.6*pow(10,-l 9); double psyapr;

double Nd_for_psy= Nd/pow(10,6); double Np=pow(Nd_for_psy,0.6666); cout«"Press any key to continue:"«endl; FILE * fo;

fo=fopen("work(T).xls","a++");

fprintf(fo," K \t J \t eV \n");

cout«"T (K) "«"work (J) "«"work (eV)"«endl;

for( ;T<=T2; T=T+10) {

muJ =-k*T*log((-1 +sqrt( l+4*exp(Ed/(k*T))*( Nd/ ( (2/pow(h_,3))*pow((mf*k*TV(2*3.14)),1.5)))) )/(2*exp(Ed/(k*T)))); n0=Nd_forjpsy/(0.5*exp((Ed-mu_l)/(k*T))+1);

for(psy=0; psy<=5; psy=psy+0.00001 )

{

fpsy = pow(( (diel*k*T/(8*3.14*e))*( n0*(exp( e*psy/(k*T))-l)-e*Nd_for_psy*psy/(k*T)+Nd_for_psy*log( (l+exp( (Ed-mu_l+e*psy)/(k*T))) / (1+exp ((Ea-mu_l)/(k*T) ) ) ) ) ) , 0.5)- (Np/( l+exp( (Ep-mu_l+e*psy)/(k*T)) ));

if(Q>sy>0)

{

psy_apr=psy;

break; }

}

work = hi+ k*T *log(2*pow((2*3.14*mf*k*T/pow(h_,2)),1.5 )/Nd)-e*psy_apr; cout«T«" \t"« work «" \t \t"«work/(l .6*pow(10,-19))«"\t"« psy_apr «endl;

fprintf(fo," %d \t %5.30f \t %5.30f \n", T, work, work/(1.6*pow(10,-19)));

}

cout«" Complete! "«endl;

cout«"Result in a file \"work(T).xls\" "«endl;

system("PAUSE");

return EXIT SUCCESS; }