Электрические и излучательные характеристики индуктивных бесферритных ртутных УФ-ламп в замкнутых трубках

Павел [Павел] Валерьевич [V.] Старшинов [Starshinov]; Олег [Oleg] Алексеевич [A.] Попов [Popov]; Игорь [Igor] Вячеславович [V.] Ирхин [Irkhin]; Виктория [Viktoriya] Николаевна [N.] Васина [Vasina]; Владимир [Vladimir] Александрович [A.] Левченко [Levchenko]

doi:10.24160/1993-6982-2019-3-87-97

Павел [Павел] Валерьевич [V.] Старшинов [Starshinov]
Олег [Oleg] Алексеевич [A.] Попов [Popov]
Игорь [Igor] Вячеславович [V.] Ирхин [Irkhin]
Виктория [Viktoriya] Николаевна [N.] Васина [Vasina]
Владимир [Vladimir] Александрович [A.] Левченко [Levchenko]

DOI: https://doi.org/10.24160/1993-6982-2019-3-87-97

Keywords: ultraviolet radiation, inductively-coupled closed-loop discharge, low pressure mercury plasma, induction coil

Abstract

Electric and radiation characteristics of ultraviolet (UV) radiation (254 nm) sources employing ferrite-free inductively-coupled discharge excited in the closed-loop quartz tube with a help of a 3-turn induction coil disposed along the tube “inner” perimeter were experimentally studied. The inductive discharge was excited in the mixture of mercury vapor (~ 0,01 torr) and argon (1,0 torr) at a frequency of 1,7 MHz and RF power of

90-160 W. It was experimentally shown that in the lamp with discharge tube of 25 mm in diam., induction coil power losses and plasma RF electric field dependencies on lamp power had minima while discharge current and lamp UV radiation generation efficiency dependencies on lamp power had maxima. UV radiation flux grew with lamp power from 28 to 72 W while plasma UV radiation generation efficiency grew from 52 to 65%. The decrease of discharge tube diameter to 16 mm caused the increase of coil power losses and plasma RF electric field but did not affect UV radiation flux and lamp and plasma UV radiation generation efficiencies

Information about authors

Павел [Павел] Валерьевич [V.] Старшинов [Starshinov]

Ph.D.-student of Lighting Engineering Dept., NRU MPEI, e-mail: blitzzz-z@ya.ru

Олег [Oleg] Алексеевич [A.] Попов [Popov]

Dr.Sci. (Techn.), Professor of Lighting Engineering Dept., NRU MPEI, e-mail: popovoleg445@yahoo.com

Игорь [Igor] Вячеславович [V.] Ирхин [Irkhin]

Ph.D. (Techn.), Leading Engineer of All-Russian Electrotechnical Institute — Branch of the Russian Federal Nuclear Center — All-Russian Scientific Research Institute of Technical Physics Academician E.I. Zababakhin

Виктория [Viktoriya] Николаевна [N.] Васина [Vasina]

Engineer-lighting designer of Сompany Alfresco, Moscow

Владимир [Vladimir] Александрович [A.] Левченко [Levchenko]

Ph.D. (Phys.-Math.), Deputy Head of the Laboratory of Open Company «LIT», Moscow

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. Гвоздев-Карелин С.В. Особенности и примеры применения безэлектродной люминесцентной лампы Endura фирмы Оsram // Светотехника. 2006. № 3. С. 9—12.
3. Godyak V. Ferromagnetic Enhanced Inductive Plasma Sources // J. Phys. D. Appl. Phys. 2013. V. 46. Pp. 1—23.
4. Kolobov V.I., Godyak V.A. Inductively Coupled Plasmas at Low Driving Frequencies // Plasma Sources Sci. Technol. 2017. V. 26. No. 7. Pp. 075013.
5. Исупов М.В., Кротов С.В., Литвинцев А.Ю., Уланов И.М. Индукционная ультрафиолетовая лампа // Светотехника. 2007. № 5. С. 37—40.
6. Kobayashi S., Hatano A. High-intensity Low Pressure Electrodeless Mercury-argon Lamp for UV Disinfection of Wastewater // J. Water and Environment Techn. 2005. V. 3. No.1. Pp. 71—76.
7. 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.
8. Свитнев С.А., Попов О.А., Левченко В.А., Старшинов П.В. Характеристики бесферритного индукционного разряда низкого давления. Ч. 2. Излучательные характеристики плазмы // УПФ. 2016. № 4. С. 372—384.
9. Popov O.A., Chandler R.T. Ferrite-free High Power Electrodeless Fluorescent Lamp Operated at a Frequency of 160...1000 kHz // Plasma Sources Sci. and Techn. 2002. V. 11(2). Pp. 218—224.
10. 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.
11. Попов О.А., Старшинов П.В., Васина В.Н. Исследование характеристик индукционного бесферритного ртутного разряда низкого давления в замкнутой трубке // Вестник МЭИ. 2018. № 4. C. 89—96.
12. Piejak R.B., Godyak V.A., Alexandrovich B.M. А Simple Analyses of an Inductive RF Discharge // Plasma Sources Sci.Techn. 1992. No. 1. Pp. 179—185.
13. Rauner D., Briefi S. Fantz U. RF Power Transfer Efficiency of Inductively Coupled Low Pressure H2 and D2 Discharges // Plasma Sources Sci. Techn. 2017. V. 26. P. 095004.
14. 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.
15. Elenbaas W. Light Sources. N.-Y.: Crane, Russak & Co, 1972.
16. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987.
17. Piejak R., Godyak V.A., Alexandrovich B.M. Electric Field in Inductively Coupled discharges // J. Appl. Phys. 2001. V. 89. No. 7. Pp. 3590—3593.
18. Исупов М.В., Федосеев А.В., Сухинин Г.И., Уланов И.М. Экспериментальное и теоретическое исследование низкочастотного индукционного разряда трансформаторного типа // Теплофизика и аэромеханика. 2014. Т. 21. № 5. С. 681—692.
19. Cunge G., Crawly B., Vender D., Turner M.M. Anomalous Skin Effect and Collisionless Powe Dissipation in Inductively Coupled Discharges // J. Appl. Phys. 2000. V. 89. No. 7. Pp. 3580—3589.
20. Hyo-Chang Lee, Seung Ju Oh, Chin-Wookn 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. Plasma. 1999. V. 6. No. 5. Pp. 1804—1812.
22. Александров А.Ф., Вавилин К.В., Кралькина Е.А., Неклюдова П.А., Павлов В.Б. 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.
23. Никифорова В.А., Попов О.А. Влияние частоты ВЧ-поля и разрядного тока на радиальное распределение параметров плазмы индукционного бесферритного разряда в замкнутой трубке // Вестник МЭИ. 2012. № 1. С. 108—114.
24. Kralkina E.A. е. а. RF Power Absorption by Plasma of a Low Pressure Inductive Discharge // Plasma Sources Sci. Techn. 2016. V. 25. P. 015016.
25. Trieschmann J., Mussenbrock T. Kinetic Analysis of Negative Power Deposition in Inductive Low Pressure Plasmas // Plasma Sources Sci. Techn. 2017. V. 26. P. 024004.
26. Свитнев С.А., Попов О.А., Левченко В.А., Старшинов П.В. Характеристики бесферритного индукционного разряда низкого давления. Ч. 1. Электрические параметры индуктивной катушки // УПФ. 2016. № 2. С. 139—149.
27. Костюченко С.В., Кудрявцев Н.Н., Левченко В.А., Соколов Д.В., Шунков Ю.Е. Новая высокоэффективная газоразрядная лампа низкого давления повышенной мощности // Тезисы докл. XLI Междунар. Звенигородской конф. по физике плазмы и УТС. Звенигород, 2014. С. 242.
---
Для цитирования: Старшинов П.В., Попов О.А., Ирхин И.В., Васина В.Н., Левченко В.А. Электрические и излучательные характеристики индуктивных бесферритных ртутных УФ-ламп в замкнутых трубках // Вестник МЭИ. 2019. № 3. С. 87—97. DOI: 10.24160/1993- 6982-2019-3-87-97.
#
1. Shaffer J., Godyak V.A. The Development оf Low Frequency, High Output Electrodeless Fluorescent Lamp. J. Illuminating Eng. Soc. 2013;28 (1):142—148.
2. Gvozdev-Karelin S.V. Osobennosti i Primery Primeneniya Bezelektrodnoy Lyuminestsentnoy Lampy Endura Firmy Osram. Svetotekhnika. 2006;3:9—12. (in Russian).
3. Godyak V. Ferromagnetic Enhanced Inductive Plasma Sources. J. Phys. D. Appl. Phys. 2013;46:1—23.
4. Kolobov V.I., Godyak V.A. Inductively Coupled Plasmas at Low Driving Frequencies. Plasma Sources Sci. Technol. 2017;26;7:075013.
5. Isupov M.V., Krotov S.V., Litvintsev A.Yu., Ulanov I.M. Induktsionnaya Ul'trafioletovaya Lampa. Svetotekhnika. 2007;5:37—40. (in Russian).
6. Kobayashi S., Hatano A. High-intensity Low Pressure Electrodeless Mercury-argon Lamp for UV Disinfection of Wastewater. J. Water and Environment Techn. 2005;3;1:71—76.
7. Levchenko V.A., Popov O.A., Svitnev S.A., Starshinov P.V. Elektricheskie i Izluchatel'nye Kharakteristiki Lampy Transformatornogo Tipa s Razryadnoy Trubkoy Diametrom 16,6 mm. Svetotekhnika. 2016;1:41—44. (in Russian).
8. Svitnev S.A., Popov O.A., Levchenko V.A., Starshinov P.V. Kharakteristiki Besferritnogo Induktsionnogo Razryada Nizkogo Davleniya. Ch. 2. Izluchatel'nye Kharakteristiki Plazmy. UPF. 2016;4:372—384. (in Russian).
9. Popov O.A., Chandler R.T. Ferrite-free High Power Electrodeless Fluorescent Lamp Operated at a Frequency of 160...1000 kHz. Plasma Sources Sci. and Techn. 2002; 11(2):218—224.
10. Popov O.A., Nikiforova V.A. Induktsionnyy besferritnyy istochnik sveta moshchnost'yu 300…400 Vt na chastote 200…400 kGts. Vestnik MEI. 2010;2:159—164. (in Russian).
11. Popov O.A., Starshinov P.V., Vasina V.N. Issledovanie Kharakteristik Induktsionnogo Besferritnogo Rtutnogo Razryada Nizkogo Davleniya v Zamknutoy Trubke. Vestnik MEI. 2018;4:89—96. (in Russian).
12. Piejak R.B., Godyak V.A., Alexandrovich B.M. А Simple Analyses of an Inductive RF Discharge. Plasma Sources Sci.Techn. 1992;1:179—185.
13. Rauner D., Briefi S. Fantz U. RF Power Transfer Efficiency of Inductively Coupled Low Pressure H2 and D2 Discharges. Plasma Sources Sci. Techn. 2017;26:095004.
14. 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.
15. Elenbaas W. Light Sources. N.-Y.: Crane, Russak & Co, 1972.
16. Rayzer Yu.P. Fizika gazovogo razryada. M.: Nauka, 1987. (in Russian).
17. Piejak R., Godyak V.A., Alexandrovich B.M. Electric Field in Inductively Coupled discharges. J. Appl. Phys. 2001;89;7:3590—3593.
18. Isupov M.V., Fedoseev A.V., Sukhinin G.I., Ulanov I.M. Eksperimental'noe i Teoreticheskoe Issledovanie Nizkochastotnogo Induktsionnogo Razryada Transformatornogo Tipa. Teplofizika i Aeromekhanika. 2014;21;5: 681—692. (in Russian).
19. Cunge G., Crawly B., Vender D., Turner M.M. Anomalous Skin Effect and Collisionless Powe Dissipation in Inductively Coupled Discharges. J. Appl. Phys. 2000;89; 7:3580—3589.
20. Hyo-Chang Lee, Seung Ju Oh, Chin-Wookn 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. Plasma. 1999;6;5:1804—1812.
22. Aleksandrov A.F., Vavilin K.V., Kral'kina E.A., Neklyudova P.A., Pavlov V.B. 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).
23. Nikiforova V.A., Popov O.A. Vliyanie Chastoty VCH-polya i Razryadnogo Toka na Radial'noe Raspredelenie Parametrov Plazmy Induktsionnogo Besferritnogo Razryada v Zamknutoy Trubke. Vestnik MEI. 2012;1:108—114. (in Russian).
24. Kralkina E.A. е. а. RF Power Absorption by Plasma of a Low Pressure Inductive Discharge. Plasma Sources Sci. Techn. 2016;25:015016.
25. Trieschmann J., Mussenbrock T. Kinetic Analysis of Negative Power Deposition in Inductive Low Pressure Plasmas. Plasma Sources Sci. Techn. 2017;26:024004.
26. Svitnev S.A., Popov O.A., Levchenko V.A., Starshinov P.V. Kharakteristiki Besferritnogo Induktsionnogo Razryada Nizkogo Davleniya. Ch. 1. Elektricheskie Parametry Induktivnoy Katushki. UPF. 2016;2:139—149. (in Russian).
27. Kostyuchenko S.V., Kudryavtsev N.N., Levchenko V.A., Sokolov D.V., Shunkov Yu.E. Novaya Vysokoeffektivnaya Gazorazryadnaya Lampa Nizkogo Davleniya Povyshennoy Moshchnosti. Tezisy Dokl. XLI Mezhdunar. Zvenigorodskoy Konf. po Fizike Plazmy i UTS. Zvenigorod, 2014:242. (in Russian).
---
For citation: Starshinov P.V., Popov O.A., Irkhin I.V., Vasina V.N., Levchenko V.A. Electric and Radiation Characteristics of Ferrite-free Closed-loop Inductively-coupled Mercury Discharge UV-lamps. Bulletin of MPEI. 2019;3:87—97. (in Russian). DOI: 10.24160/1993- 6982-2019-3-87-97.