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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-000337-1

On electrode erosion in fluorescent lamps during instant start

  • A fluorescent lamp driven with an 'instant start electronic control gear' starts in a glow mode. In the glow mode, which lasts typically for tens of milliseconds, the cathode fall exceeds hundreds of volts. This causes high energy ion bombardment of the electrode which heats the electrode, and induces a transition from glow to arc mode. In the arc mode the electrode emits thermionically and the cathode fall drops to the 12 – 15 V range. Unfortunately, the high energy ion bombardment during the glow mode leads also to intense sputtering of electrode material, including tungsten as well as emitter. Thus, instant started fluorescent lamps often suffer from early failures due to coil fracture. Therefore, the investigation of tungsten erosion during instant start is necessary and was the main goal of this work. The density of neutral atomic tungsten is determined by laser-induced fluorescence (LIF) and optical emission spectroscopy measurements (OES). Investigations are performed on a low-pressure argon dc discharge and on commercial fluorescent lamps. To include the entire temperature profile along the electrode the diffuse and spot operation modes of the dc lamp are studied experimentally and theoretically. The measured dependencies of the cathode temperature along the coil on the discharge and heating parameters are compared with the calculated results. For the first time the tungsten erosion during instant start of commercial fluorescent lamps was experimentally investigated in this work. The erosion process could be related to sputtering. A reconstruction of the temporal evolution of the absolute tungsten population density of the ground state during the glow mode was presented. The sputtered tungsten density increases immediately with the ignition, reaches a maximum where the discharge contracts at the end of the glow mode, and decreases some milliseconds before the glow-to-arc transition takes place. The maximum tungsten density was observed within a region of a few hundred micrometers only located at the discharge attachment point. The main result achieved in this work is that during the whole glow mode tungsten is sputtered. Therefore, the lifetime of instant started fluorescent lamps can be enhanced by reducing the duration of the glow mode. Additionally, the need for the application of different types of diagnostics for the observation of lamp ignition was shown due to different results of LIF, AAS and OES: The observation of excited tungsten atoms by OES shows the maximum emission signal at the glow-to-arc transition whereas by LIF and AAS measurements of tungsten atoms in the ground state the maximum density is found during the whole glow mode. This can be explained by the fact that the intensity of the spontaneous emitted light is related not only to the density but also to the degree of excitation.
  • Untersuchungen an Leuchtstofflampen sind oft auf die Elektroden fokussiert, da diese die Lebensdauer der Lampe beschränken. Bisherige Forschungen konzentrierten sich auf den Warmstart, bei dem die Wendel vor der eigentlichen Zündung kurz vorgeheizt wird. Um Kosten zu sparen, werden elektronische Vorschaltgeräte (EVG) ohne diesen Vorheizprozess immer wichtiger. Eine Leuchtstofflampe zündet beim sog. Kaltstart in einer Glimmentladung. Auf Grund des daraus resultierenden hohen Ionenbeschusses wird Elektrodenmaterial (Wolfram und Emitter) abgetragen. Dies führt zu frühzeitigen Ausfällen infolge Wendelbruchs. Für das Verständnis der zu Grunde liegenden Prozesse ist die Untersuchung der Wolframerosion während des Kaltstarts notwendig und Hauptanliegen dieser Arbeit. Die Dichte der von der Elektrodenwendel erodierten neutralen Wolframatome wurde mit Hilfe der Methoden der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF) und der optischen Emissionsspektroskopie (OES) bestimmt. Es wurden Untersuchungen an einer Argon-Niederdruck-Gleichstromentladung und an kommerziellen Leuchtstofflampen durchgeführt. Um das Temperaturprofil entlang der Elektrode mit in die Untersuchungen einzubeziehen, wurden der diffuse und der Spot-Modus in der DC-Lampe experimentell und theoretisch analysiert. Die gemessene Abhängigkeit der Katodentemperatur entlang der Wendel für verschiedene Entladungs- und Zuheizströme wurde mit den berechneten Werten verglichen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmalig die Wolframerosion während des Kaltstarts von kommerziellen Leuchtstofflampen experimentell untersucht. Der Erosionsprozess konnte der Zerstäubung der Wendel durch Ionenbeschuss in der Glimmphase zugeordnet werden. Der zeitliche Verlauf der Wolfram-Grundzustandsdichte während der Glimmphase wurde aus Einzelmessungen mittels LIF rekonstruiert. Die Wolframdichte steigt unmittelbar nach der Zündung an, erreicht ihr Maximum zu dem Zeitpunkt, an dem die Glimmentladung kontrahiert, und fällt einige Millisekunden vor dem Übergang in die Bogenentladung wieder ab. Die Wolframerosion ist auf einen schmalen Bereich von einigen hundert Mikrometern am Ansatzpunkt der Entladung konzentriert. Das zentrale Ergebnis dieser Arbeit ist, dass Wolfram während der gesamten Glimmphase zerstäubt wird. Die Lebensdauer einer kalt gestarteten Leuchtstofflampe kann demnach durch Verkürzung der Glimmphase erhöht werden. Mit der LIF-Methode können absolute Wolframdichten im Grundzustand bestimmt werden, hingegen werden mit Hilfe der OES angeregte Wolframatome beobachtet. Dies hat zur Folge, dass das detektierte Emissionssignal nicht nur Informationen zur Dichte, sondern vielmehr zum Anregungszustand enthält. Die Verwendung verschiedener Diagnostiken wird daher als sinnvoll und notwendig erachtet.

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Metadaten
Author: Stefan Hadrath
URN:urn:nbn:de:gbv:9-000337-1
Title Additional (German):Kaltstartuntersuchungen in Leuchtstofflampen
Advisor:Prof. Dr. Peter Awakowicz, Prof. Dr. Jürgen Röpcke
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2007/03/13
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2007/03/02
Release Date:2007/03/13
Tag:Ionenbeschuss
electrode, erosion, fluorescent lamp, laser-induced fluorescence, tungsten
GND Keyword:Atomemissionsspektroskopie, Bogenentladung, Emissionsspektroskopie, Far, Glimmentladung, Laserinduzierte Fluoreszenz, Leuchtstofflampe, Wolfram
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik
PACS-Classification:40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS / 42.00.00 Optics (for optical properties of gases, see 51.70.+f; for optical properties of bulk materials and thin films, see 78.20.-e; for x-ray optics, see 41.50.+h) / 42.60.-v Laser optical systems: design and operation / 42.60.Jf Beam characteristics: profile, intensity, and power; spatial pattern formation
40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS / 42.00.00 Optics (for optical properties of gases, see 51.70.+f; for optical properties of bulk materials and thin films, see 78.20.-e; for x-ray optics, see 41.50.+h) / 42.62.-b Laser applications / 42.62.Fi Laser spectroscopy
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.70.-m Plasma diagnostic techniques and instrumentation / 52.70.Kz Optical (ultraviolet, visible, infrared) measurements
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.77.-j Plasma applications
50.00.00 PHYSICS OF GASES, PLASMAS, AND ELECTRIC DISCHARGES / 52.00.00 Physics of plasmas and electric discharges (for space plasma physics, see 94.05.-a; for astrophysical plasmas, see 95.30.Qd; for physics of the ionosphere and magnetosphere, see 94.20.-y and 94.30.-d respectively) / 52.80.-s Electric discharges (see also 51.50.+v Electrical properties of gases; for plasma reactions including flowing afterglow and electric discharges, see 82.33.Xj in physical chemistry and chemical physics) / 52.80.Hc Glow; corona