pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2019-10-1-7-13pimi-419Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsМоделирование влияния тонкой диэлектрической пленки на поверхности электрода на зажигание разряда в ртутных осветительных лампах при низких температурах окружающей средыModeling of an Impact of Thin Insulating Film on the Electrode Surface on Discharge Ignition in Mercury Illuminating Lamps at Low Ambient TemperaturesБондаренкоГ. Г.BondarenkoG. G.ФишерМ. Р.FisherM. R.КристяВ. И.KristyaV. I.

Адрес для переписки: В.И. Кристя – Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, Калужский филиал, ул. Баженова, 2, г. Калуга 248000, Россия.    e-mail: kristya@bmstu-kaluga.ru

Address for correspondence: V.I. Kristya – Bauman Moscow State Technical University, Kaluga Branch, Bazhenov str., 2, Kaluga 248000, Russia.     e-mail: kristya@bmstu-kaluga.ru

kristya@bmstu-kaluga.ruЖуковскийП.ŻukowskiP.Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»РоссияNational Research University Higher School of EconomicsRussian FederationМосковский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана, Калужский филиалРоссияBauman Moscow State Technical University, Kaluga BranchRussian FederationЛюблинский технологический университетПольшаLublin University of TechnologyPoland201915032019101713Copyright © Бондаренко Г.Г., Фишер М.Р., Кристя В.И., Жуковский П., 20192019Бондаренко Г.Г., Фишер М.Р., Кристя В.И., Жуковский П.Bondarenko G.G., Fisher M.R., Kristya V.I., Żukowski P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/419

Смесь аргона и паров ртути с зависящим от температуры составом используется в качестве рабочего газа в различных типах газоразрядных осветительных ламп. Целью данной работы являлось построение модели слаботочного разряда в смеси аргон-ртуть при наличии на катоде тонкой диэлектрической пленки, а также определение ее влияния на напряжение зажигания разряда при низкой температуре окружающей среды.

При моделировании разряда мы использовали полученное ранее выражение, описывающее зависимость ионизационного коэффициента рассматриваемой смеси от температуры. В случае наличия на катоде тонкой диэлектрической пленки в модели учитывали, что в разряде на ее поверхности накапливаются положительные заряды. Они создают в пленке электрическое поле, достаточное для возникновения полевой эмиссии электронов из металлической подложки электрода в диэлектрик, часть из которых может преодолевать потенциальный барьер на внешней границе пленки и выходить в разрядный объем, улучшая эмиссионные характеристики катода.

Расчеты показали, что при снижении температуры происходит увеличение напряженности электрического поля в разрядном промежутке и напряжения на нем, обусловленное уменьшением концентрации насыщенных паров ртути в смеси, а следовательно, и ее ионизационного коэффициента. Наличие же тонкой диэлектрической пленки на поверхности катода может приводить, вследствие существования полевой эмиссии электронов в пленку, к увеличению эффективного коэффициента электронной эмиссии катода, компенсирующему снижение величины ионизационного коэффициента.

Представленные результаты моделирования характеристик разряда демонстрируют, что в случае катода с диэлектрической пленкой становится возможным возникновение разряда при более низком межэлектродном напряжении. Это обеспечивает зажигание лампы наружного освещения при меньшем напряжении питающей сети и повышает ее надежность в условиях низких температур.

The mixture of argon and mercury vapor with temperature-dependent composition is used as the background gas in different types of gas discharge illuminating lamps. The aim of this work was to develop a model of the low-current discharge in an argon-mercury mixture at presence of a thin insulating film on the cathode and to investigate the influence of film on the discharge ignition voltage at low ambient temperatures. When discharge modeling, we used the obtained earlier expression which describes dependence of the mixture ionization coefficient on temperature. When there was a thin insulating film on the cathode the model took into account that positive charges are accumulated on its surface during the discharge. They generate an electric field in the film sufficient for the field emission of electrons from the metal substrate of the electrode into the insulator and some of them can overcome the potential barrier at the film outer boundary and go out in the discharge volume improving emission characteristics of the cathode.

Calculations showed that at a temperature decrease the electric field strengthes in the discharge gap and the voltage in it are increased due to reduction of the saturated mercury vapor density in the mixture followed by the decrease of its ionization coefficient. Existence of a thin insulating film on the cathode surface results in an increase of the cathode effective secondary electron emission yield which compensates the reduction of the mixture ionization coefficient value.

The results of discharge characteristics modeling demonstrate that in case of the cathode with an insulating film the discharge ignition becomes possible at a lower inter-electrode voltage. This ensures outdoor mercury lamp turning on at a reduced supply voltage and increases its reliability under low ambient temperatures.

ртутная осветительная лампаслаботочный газовый разряддиэлектрическая пленка на катодеполевая электронная эмиссиянапряжение зажигания разрядаmercury illuminating lamplow-current gas dischargeinsulating film on cathodefield electron emissiondischarge ignition voltageМинобрнауки РФ (проект 3.8408.2017/6.7)Russian Federation Ministry of Science and Higher Education University (project 3.8408.2017/6.7) and Russian Foundation for Basic Researches and the Kaluga Region Government (project 18-42-400001)ReferencesFlesch P. Light and light sources: High-intensity discharge lamps. Berlin, Springer, 2006, p. 344.Flesch P. Light and light sources: High-intensity discharge lamps. Berlin, Springer, 2006, p. 344.Zissis G., Kitsinelis S. State of art on the science and technology of electrical light sources: from the past to the future. J. Phys. D: Appl. Phys., 2009, vol. 42, no. 17, pp. 173001. DOI: 10.1088/0022-3727/42/17/173001Zissis G., Kitsinelis S. State of art on the science and technology of electrical light sources: from the past to the future. J. Phys. D: Appl. Phys., 2009, vol. 42, no. 17, pp. 173001. DOI: 10.1088/0022-3727/42/17/173001Schwieger J., Baumann B., Wolff M., Manders F., Suijker J. Backcoupling of acoustic streaming on the temperature field inside high-intensity discharge lamps. J. Phys.: Conf. Series, 2015, vol. 655, pp. 012045. DOI: 10.1088/1742-6596/655/1/012045Schwieger J., Baumann B., Wolff M., Manders F., Suijker J. Backcoupling of acoustic streaming on the temperature field inside high-intensity discharge lamps. J. Phys.: Conf. Series, 2015, vol. 655, pp. 012045. DOI: 10.1088/1742-6596/655/1/012045Langer R., Garner R., Paul I., Horn S., Tidecks R. Cold starting of fluorescent lamps – part I: a description of the transient regime. Eur. Phys. J. Appl. Phys., 2016, vol. 76, no. 1, pp. 10802. DOI: 10.1051/epjap/2016160277Langer R., Garner R., Paul I., Horn S., Tidecks R. Cold starting of fluorescent lamps – part I: a description of the transient regime. Eur. Phys. J. Appl. Phys., 2016, vol. 76, no. 1, pp. 10802. DOI: 10.1051/epjap/2016160277Bondarenko G.G.,Kristya V.I.,Savichkin D.O., Żukovski P. Simulation of cathode surface sputtering by ions and fast atoms in Townsend discharge in argon-mercury mixture with temperature-dependent composition. Devices and Methods of Measurements, 2018, vol. 9, no. 3, pp. 227–233. DOI: 10.21122/2220-9506-2018-9-3-227-233Bondarenko G.G.,Kristya V.I.,Savichkin D.O., Żukovski P. Simulation of cathode surface sputtering by ions and fast atoms in Townsend discharge in argon-mercury mixture with temperature-dependent composition. Devices and Methods of Measurements, 2018, vol. 9, no. 3, pp. 227–233. DOI: 10.21122/2220-9506-2018-9-3-227-233Lieberman M.A., Lichtenberg A.J. Principles of plasma discharges and materials processing. Hoboken, New Jersey, Wiley-Interscience, 2005, p. 756.Lieberman M.A., Lichtenberg A.J. Principles of plasma discharges and materials processing. Hoboken, New Jersey, Wiley-Interscience, 2005, p. 756.Hadrath S., Beck M., Garner R.C., Lieder G., Ehlbeck J. Determination of absolute Ba densities during dimming operation of fluorescent lamps by laser-induced fluorescence measurements. J. Phys. D: Appl. Phys., 2007, vol. 40, no. 1, pp. 163–167. DOI: 10.1088/0022-3727/40/1/009Hadrath S., Beck M., Garner R.C., Lieder G., Ehlbeck J. Determination of absolute Ba densities during dimming operation of fluorescent lamps by laser-induced fluorescence measurements. J. Phys. D: Appl. Phys., 2007, vol. 40, no. 1, pp. 163–167. DOI: 10.1088/0022-3727/40/1/009Brok W.J.M., Gendre M.F., van der Mullen J.J.A.M. Model study of DC ignition of fluorescent tubes. J. Phys. D: Appl. Phys., 2007, vol. 40, no. 1, pp. 156–162. DOI: 10.1088/0022-3727/40/1/008Brok W.J.M., Gendre M.F., van der Mullen J.J.A.M. Model study of DC ignition of fluorescent tubes. J. Phys. D: Appl. Phys., 2007, vol. 40, no. 1, pp. 156–162. DOI: 10.1088/0022-3727/40/1/008Sobota A., van den Bos R.A.J.M., Kroesen G., Manders F. Transition between breakdown regimes in a temperature-dependent mixture of argon and mercury using 100 kHz excitation. J. Appl. Phys., 2013, vol. 113, no. 4, pp. 043308. DOI: 10.1063/1.4789598Sobota A., van den Bos R.A.J.M., Kroesen G., Manders F. Transition between breakdown regimes in a temperature-dependent mixture of argon and mercury using 100 kHz excitation. J. Appl. Phys., 2013, vol. 113, no. 4, pp. 043308. DOI: 10.1063/1.4789598Lee M.-B., Hahm S.-H., Lee J.-H., Song Y.-H. Emission behavior of nm-thick Al O film-based planar cold cathodes for electronic cooling. Appl. Phys. Lett., 2005, vol. 86, no. 12, pp. 123511. DOI: 10.1063/1.1894593Lee M.-B., Hahm S.-H., Lee J.-H., Song Y.-H. Emission behavior of nm-thick Al O film-based planar cold cathodes for electronic cooling. Appl. Phys. Lett., 2005, vol. 86, no. 12, pp. 123511. DOI: 10.1063/1.1894593Stamenković S.N., Marković V.Lj., Gocić S.R., Jovanović A.P. Influence of different cathode surfaces on the breakdown time delay in neon DC glow discharge. Vacuum, 2013, vol. 89, pp. 62–66. DOI: 10.1016/j.vacuum.2012.09.010Stamenković S.N., Marković V.Lj., Gocić S.R., Jovanović A.P. Influence of different cathode surfaces on the breakdown time delay in neon DC glow discharge. Vacuum, 2013, vol. 89, pp. 62–66. DOI: 10.1016/j.vacuum.2012.09.010Bondarenko G.G., Fisher M.R., Kristya V.I. Modeling of the effect of temperature and field-induced electron emission from the cathode with a thin insulating film on the Townsend discharge ignition voltage in argon– mercury mixture. Vacuum, 2016, vol. 129, pp. 188–191. DOI: 10.1016/j.vacuum.2016.01.008Bondarenko G.G., Fisher M.R., Kristya V.I. Modeling of the effect of temperature and field-induced electron emission from the cathode with a thin insulating film on the Townsend discharge ignition voltage in argon– mercury mixture. Vacuum, 2016, vol. 129, pp. 188–191. DOI: 10.1016/j.vacuum.2016.01.008Suzuki M., Sagawa M., Kusunoki T., Nishimura E., Ikeda M., Tsuji K. Enhancing electron-emission efficiency of MIM tunneling cathodes by reducing insulator trap density. IEEE Trans.: ED, 2012, vol. 59, no. 8, pp. 2256–2262. DOI: 10.1109/TED.2012.2197625Suzuki M., Sagawa M., Kusunoki T., Nishimura E., Ikeda M., Tsuji K. Enhancing electron-emission efficiency of MIM tunneling cathodes by reducing insulator trap density. IEEE Trans.: ED, 2012, vol. 59, no. 8, pp. 2256–2262. DOI: 10.1109/TED.2012.2197625Bondarenko G.G., Kristya V.I., Savichkin D.O. Modeling of the effect of field electron emission from the cathode with a thin insulating film on its emission efficiency in gas discharge plasma. Vacuum, 2018, vol. 149, pp. 114– 117. DOI: 10.1016/j.vacuum.2017.12.028Bondarenko G.G., Kristya V.I., Savichkin D.O. Modeling of the effect of field electron emission from the cathode with a thin insulating film on its emission efficiency in gas discharge plasma. Vacuum, 2018, vol. 149, pp. 114– 117. DOI: 10.1016/j.vacuum.2017.12.028Arslanbekov R.R., Kolobov V.I. Two-dimensional simulations of the transition from Townsend to glow discharge and subnormal oscillations. J. Phys. D: Appl. Phys., 2003, vol. 36, no. 23, pp. 2986–2994. DOI:10.1088/0022-3727/36/23/020Arslanbekov R.R., Kolobov V.I. Two-dimensional simulations of the transition from Townsend to glow discharge and subnormal oscillations. J. Phys. D: Appl. Phys., 2003, vol. 36, no. 23, pp. 2986–2994. DOI:10.1088/0022-3727/36/23/020Forbes R.G. Simple good approximations for the special elliptic functions in standard Fowler–Nordheim tunneling theory for a Schottky–Nordheim barrier. Appl. Phys. Lett., 2006, vol. 89, no. 11, pp. 113122. DOI:10.1063/1.2354582Forbes R.G. Simple good approximations for the special elliptic functions in standard Fowler–Nordheim tunneling theory for a Schottky–Nordheim barrier. Appl. Phys. Lett., 2006, vol. 89, no. 11, pp. 113122. DOI:10.1063/1.2354582Xu N.S., Chen J., Deng S.Z. Physical origin of nonlinearity in the Fowler-Nordheim plot of fi induced emission from amorphous diamond fi Thermionic emission to fi emission. Appl. Phys. Lett., 2000, vol. 76, no. 17, pp. 2463. DOI: 10.1063/1.126377Xu N.S., Chen J., Deng S.Z. Physical origin of nonlinearity in the Fowler-Nordheim plot of fi induced emission from amorphous diamond fi Thermionic emission to fi emission. Appl. Phys. Lett., 2000, vol. 76, no. 17, pp. 2463. DOI: 10.1063/1.126377Bondarenko G.G., Dubinina M.S., Fisher M.R., Kristya V.I. Calculation of the ionization coefficient in the Townsend discharge in the mixture of argon and mercury vapors with temperature-dependent composition. Russ. Phys. J., 2018, vol. 60, no. 12, pp. 2105–2110. DOI: 10.1007/s11182-018-1332-7Bondarenko G.G., Dubinina M.S., Fisher M.R., Kristya V.I. Calculation of the ionization coefficient in the Townsend discharge in the mixture of argon and mercury vapors with temperature-dependent composition. Russ. Phys. J., 2018, vol. 60, no. 12, pp. 2105–2110. DOI: 10.1007/s11182-018-1332-7Waymouth J.F. Electric discharge lamps. Cambridge, MIT Press, 1971, 352 p.Waymouth J.F. Electric discharge lamps. Cambridge, MIT Press, 1971, 352 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.