Моделирование влияния тонкой диэлектрической пленки на поверхности электрода на зажигание разряда в ртутных осветительных лампах при низких температурах окружающей среды

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.

1. Flesch P. Light and light sources: High-intensity discharge lamps. Berlin, Springer, 2006, p. 344.

2. 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: 10.1088/0022-3727/42/17/173001

3. Schwieger 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: 10.1088/1742-6596/655/1/012045

4. Langer 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/2016160277

5. Bondarenko 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: 10.21122/2220-9506-2018-9-3-227-233

6. Lieberman M.A., Lichtenberg A.J. Principles of plasma discharges and materials processing. Hoboken, New Jersey, Wiley-Interscience, 2005, p. 756.

7. 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: 10.1088/0022-3727/40/1/009

8. Brok 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: 10.1088/0022-3727/40/1/008

9. Sobota 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: 10.1063/1.4789598

10. Lee 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: 10.1063/1.1894593

11. Stamenković 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.2012.09.010

12. Bondarenko 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.2016.01.008

13. Suzuki 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.2012.2197625

14. Bondarenko 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.2017.12.028

15. Arslanbekov 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:10.1088/0022-3727/36/23/020

16. Forbes 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:10.1063/1.2354582

17. Xu 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: 10.1063/1.126377

18. Bondarenko 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/s11182-018-1332-7

19. Waymouth J.F. Electric discharge lamps. Cambridge, MIT Press, 1971, 352 p.