第4章改氣體放電原理

第四章氣體放電燈的基本原理第四章氣體放電燈的基本原理4-4氣體放電燈的穩(wěn)定工作主要內(nèi)容:4-1氣體放電的基礎(chǔ)知識(shí)4-3譜線的放寬4-2氣體放電的輻射4-1氣體放電的基礎(chǔ)知識(shí)電子發(fā)射和電極電子發(fā)射:陰極提供電子的過程電子發(fā)射的方法：一、熱電子發(fā)射二、正離子轟擊發(fā)射三、場(chǎng)致發(fā)射四、電子轟擊發(fā)射陰極的逸出功（功函數(shù)）：對(duì)一定的陰極，在絕對(duì)零度時(shí)，電子逸出所需的最小能量Φev，Φ就成陰極的逸出功。熱電子發(fā)射概念：對(duì)陰極加熱，電子的運(yùn)動(dòng)速度增加，使電子的熱運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能超過逸出功時(shí)，它就可以飛到陰極體外，這種現(xiàn)象就叫熱電子發(fā)射。

表現(xiàn)：1）同樣溫度，功函數(shù)低的材料發(fā)出的電子多。因此，陰極經(jīng)常使用逸出功低的材料。例如，釷鎢比鎢好；堿土金屬氧化物（BaO,SrO)。2）絕大多數(shù)材料在室溫時(shí)熱電子發(fā)射很低，到1000K時(shí)發(fā)射顯著。所以要足夠發(fā)射，陰極必須加熱到一定溫度。按加熱方式分自熱陰極和獨(dú)立式陰極。

總結(jié)：1）熱陰極材料應(yīng)具有低的逸出功，高熔點(diǎn)，低蒸發(fā)速率；2）熱電子發(fā)射是弧光放電陰極最主要的一種發(fā)射形式。4-1正離子轟擊發(fā)射概念：正離子在空間電場(chǎng)中加速，然后撞到陰極上，把能量傳給陰極中的自由電子，使自由電子獲得速度，飛出陰極，形成電子發(fā)射，這就是正離子轟擊發(fā)射?，F(xiàn)象:這種發(fā)射，陰極不需加熱，當(dāng)然，由于正離子轟擊，陰極溫度有所升高，但這一溫升對(duì)發(fā)射無大作用。正離子轟擊發(fā)射也叫冷陰極發(fā)射。。輝光放電的陰極主要是這種形式，它工作在高電壓，小電流；總結(jié)：輝光放電的陰極材料不需高熔點(diǎn)，但要耐正離子轟擊，且為增加面積作成圓筒狀。材料：Al,Ni,Fe,Cu,有時(shí)涂堿土金屬氧化物。4-1場(chǎng)致發(fā)射概念：陰極在外強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，金屬表面勢(shì)壘變形，功函數(shù)降低，部分自由電子“透過”勢(shì)壘而脫離金屬表面，這種現(xiàn)象叫場(chǎng)致發(fā)射。應(yīng)用：FEDdisplay（場(chǎng)致發(fā)射顯示）4-1四、電子轟擊發(fā)射概念：如果轟擊電極的高速電子具有足夠的能量，它就可以從電極中打出二次電子，這種發(fā)射稱電子轟擊發(fā)射對(duì)直流燈無意義，對(duì)交流燈，特別是低氣壓高頻放電，則很重要!陽

極

陽極發(fā)熱問題！陽極耗散的熱量與放電電流成正比，因此，低電壓，大電流燈中陽極耗散功率很可觀。高熔點(diǎn)金屬（鎢）做陽極。碰撞、激發(fā)和電離原子的結(jié)構(gòu)碰撞碰撞產(chǎn)生激發(fā)和電離的過程一、原子的結(jié)構(gòu)1.原子模型原子尺寸大小約10-8cm;中間為原子核，尺寸約10-13cm，質(zhì)量集中在核上，帶正電;核周圍是電子，圍核在一定軌道上運(yùn)動(dòng)，me=9.1*10-28g，Qe=1.59*10-19C，帶負(fù)電；正電荷=負(fù)電荷；原子不帶電；元素不同，原子結(jié)構(gòu)不同。2.原子能級(jí)能級(jí)：每一條橫線；基態(tài)：最低的能級(jí)OG;激發(fā)態(tài)：基態(tài)上面的能級(jí)

m,n都是激發(fā)態(tài)，由價(jià)電子處于那一軌道決定電離態(tài)：電子完全脫離原子基態(tài)原子需要的最小能量是eVi,Vi------電離電位電子脫離原子的速度：

1/2mev2=eVi

二、碰撞分類：彈性碰撞：碰撞前后有關(guān)粒子的動(dòng)能重新分配，總動(dòng)能不變。

非彈性碰撞：碰撞前后有關(guān)粒子的內(nèi)能發(fā)生變化，動(dòng)能和也變化。第一類非彈性碰撞：由于e碰撞造成原子激發(fā)或電離。電子動(dòng)能，體系內(nèi)能激發(fā)：e+AA*+e+?E電離：e+AA++e+e+?E第二類非彈性碰撞：被激發(fā)的原子和e碰撞，前者內(nèi)能交給e而去激發(fā)。體系內(nèi)能原子處于亞穩(wěn)態(tài)易發(fā)生。

A*+ee+A-?E亞穩(wěn)態(tài)：

是這樣一些能量狀態(tài)，處在這些能態(tài)上的受激原子不能自發(fā)地躍遷到基態(tài)或任何一個(gè)較低的能態(tài)。亞穩(wěn)態(tài)有相當(dāng)長(zhǎng)的壽命（10-2s)意義：1.亞穩(wěn)態(tài)的存在使逐次激發(fā)和逐次電離機(jī)會(huì)大大增加；

e+A*A**+e+?Ee+A*A++e+e+?E2.產(chǎn)生潘寧效應(yīng)，有利于燈的啟動(dòng)。

A*+BA+B++e+?E(ifVA*>VB+)三、碰撞產(chǎn)生激發(fā)和電離的過程激發(fā)過程:

電子從陰極發(fā)射出來，受外電場(chǎng)加速，動(dòng)能增加。當(dāng)基態(tài)原子和動(dòng)能為1/2mv2

的e相碰，當(dāng)1/2mv2<evr時(shí)，發(fā)生彈性碰撞；當(dāng)1/2mv2>evr時(shí)，原子就可以吸收evr后躍遷到激發(fā)態(tài)。碰撞后電子能量減少evr

，這些電子在外電場(chǎng)作用下重新獲得能量，再與其它原子碰撞。

激發(fā)：e+AA*+e+?E

電離過程：

1/2mv2>evi時(shí)，電離電離：e+AA++e+e+?E

激發(fā)和電離的作用激發(fā)的作用：發(fā)光！原子處于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，能自發(fā)地遷到較低的激發(fā)態(tài)或基態(tài)，釋放一定量的光子，這就是發(fā)光。發(fā)光頻率與二能態(tài)之差?E的關(guān)系：?E=EA-EOG=e?v=hν=hC/λ所以，e?v=hC/λ，即λ=1239/?vnm由此可知：知道電子在原子能級(jí)圖中能級(jí)變化狀況，就可以計(jì)算出它的輻射譜線的波長(zhǎng)；從激發(fā)態(tài)向基態(tài)躍遷所產(chǎn)生的輻射叫做共振輻射，由此輻射的譜線叫共振線，eg.Hg?v=4.88,6.7λ=253.7,185.0；原子一般處在激發(fā)態(tài)的時(shí)間很短（10-8s），便返回基態(tài)，放出輻射。但有些原子在一些激發(fā)態(tài)停留較長(zhǎng)時(shí)間，并不輻射，這些狀態(tài)叫。。。激發(fā)和電離的作用電離的作用：1.如果無電離，燈內(nèi)充滿負(fù)電荷，不存在正離子轟擊發(fā)射了。2.部分電子擴(kuò)散到管壁而損失掉，需氣體的電離來補(bǔ)充。3.自持放電離不開電離！4.1氣體放電的基礎(chǔ)知識(shí)4.1.3帶電粒子在氣體中的運(yùn)動(dòng)一、熱運(yùn)動(dòng):ifno電場(chǎng)or磁場(chǎng)作用，帶電粒子只作無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)二、遷移運(yùn)動(dòng)：if電場(chǎng)存在，帶電粒子受到電場(chǎng)的作用，它的運(yùn)動(dòng)可以看作是在熱運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)沿電場(chǎng)方向的運(yùn)動(dòng)，這個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)叫遷移。遷移的速度是電場(chǎng)強(qiáng)度的函數(shù)V=f(E)

正是由于遷移的存在，才使氣體導(dǎo)電現(xiàn)象得以形成。三、擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：if帶電粒子在氣體中的分布是不均勻的，則帶電粒子濃度大處就會(huì)向帶電粒子濃度小處形成定向運(yùn)動(dòng)，如此形成的定向運(yùn)動(dòng)，就叫擴(kuò)散?！半p極”擴(kuò)散率等離子體中有電子和離子。電子輕且雜亂熱運(yùn)動(dòng)使其速度快，因此預(yù)測(cè)電子向管壁擴(kuò)散比正離子快，所以等離子體中正離子過剩。由于正離子吸引電子，所以減慢電子擴(kuò)散速率；另正離子產(chǎn)生一徑向電場(chǎng)，加速正離子向管壁擴(kuò)散。所以，總的效應(yīng)使電子擴(kuò)散慢下來，而正離子的擴(kuò)散快起來，直到二者以相同的速率擴(kuò)散為止，這個(gè)擴(kuò)散率就是。。。一、氣體放電的全伏安特性二、巴邢定律和潘寧效應(yīng)三、輝光放電四、弧光放電五、高頻放電氣體放電的形成和分類一、氣體放電的全伏安特性實(shí)驗(yàn)裝置：把一對(duì)平板電容器放在密封容器中，并抽成低真空（俗稱放電管），加一電壓在兩極板上，發(fā)現(xiàn)二電極間有電流通過。電流的數(shù)值隨電壓的變化而變化，方向從正極到負(fù)極，測(cè)出不同電壓下的電流，得到如圖曲線。結(jié)果:1）OA：自然帶電粒子2)AB：飽和3)BC：繁流C：著火點(diǎn)4)DE：燈管導(dǎo)通5)EF：正常輝光放電6)FG：異常輝光放電7)GH：弧光放電總結(jié)：OC是非自持放電;CD開始滿足自持條件，不穩(wěn)定自持放電;DE過度區(qū)域;從E點(diǎn)開始是穩(wěn)定的自持放電；EF為輝光放電；H點(diǎn)后進(jìn)入弧光放電。自持放電電流增長(zhǎng)機(jī)理：電子繁流or電子雪崩設(shè)d>>λ(平均自由程：分子連續(xù)二次碰撞之間的距離稱為自由程；其平均值稱為平均自由程）電離：e+AA++e+e+?E電子繁流（雪崩）：電子從陰極出來，向陽極運(yùn)動(dòng)，經(jīng)一系列電離產(chǎn)生新的電子。繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，繼續(xù)電離，使電子數(shù)目增長(zhǎng)。這些電子形成向陽極運(yùn)動(dòng)的“電子繁流”或稱謂“電子雪崩”。電流的迅速增加，是由于形成了電子繁流。自持放電條件：

γ(eαd–1)=1

二、巴邢定律和潘寧效應(yīng)(啟動(dòng)）影響氣體放電擊穿的因素：電極形狀；電極材料表面情況；不同氣體種類；陰極材料；氣體壓力和極間距巴邢定律

1889年，巴邢發(fā)現(xiàn)，其它條件不變，擊穿電壓主要受氣體壓力P和極間距d影響，更確切是受它們乘積Pd影響，Vs=f(Pd)巴邢曲線解釋：Pd過小Pd過大Pd最佳值適用范圍：物理意義：對(duì)任一氣體放電管，如保持其他條件不變，僅改變氣壓和極間距，總能找到一個(gè)Pd值，對(duì)應(yīng)這一值氣體放電存在一個(gè)最低的擊穿電壓。潘寧效應(yīng)----降低啟動(dòng)電壓現(xiàn)象：混合氣體的擊穿電壓比單獨(dú)每一種氣體的擊穿電壓低。物理內(nèi)容：A*+B→A+B++e+?E(ifVA*>VB+)舉例：Ar*(Vm=11.53v)+Hg(Vi=10.4v)→Ar+Hg++eNe*(Vm=16.62v)+Ar(Vi=15.8v)→Ne+Ar++e三、輝光放電組成：8個(gè)區(qū)域阿斯登暗區(qū)陰極輝區(qū)陰極區(qū)陰極暗區(qū)負(fù)輝區(qū)法拉第暗區(qū)正柱區(qū)陽極輝區(qū)陽極暗區(qū)陽極區(qū)特征：陰極區(qū)必不可少發(fā)光強(qiáng)區(qū)：負(fù)輝區(qū)，正柱區(qū)陰極濺射四、弧光放電形成（二種方式）：輝光過渡；電極分離弧光放電與輝光放電區(qū)別：電流大，陰極位降小(低電壓，大電流）高壓時(shí)陰陽極及氣體溫度高低或高氣壓均可產(chǎn)生弧光放電組成：陰極位降區(qū)，正柱區(qū)，陽極位降區(qū)等溫等離子體光譜特性低氣壓：線光譜高氣壓：譜線放寬分類管壁穩(wěn)定型：高壓汞燈，高壓鈉燈對(duì)流穩(wěn)定型：碳弧，短弧氙燈（氙比汞輕，放電對(duì)流強(qiáng)）電極穩(wěn)定型：球形超高壓汞燈五、高頻放電定義：放電所用的電源頻率高達(dá)106---1011Hz,放電的形式不再發(fā)生交替，而成為一種穩(wěn)定不變的放電形式。4.2.1原子和分子的量子態(tài)原子的量子態(tài)n2S+1LJ（主量子、角量子、磁量子、自旋量子）

分子的量子態(tài)

E=Ee+Ev+Er（原子能級(jí)、分子振動(dòng)能級(jí)、分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)）4.2氣體放電的輻射4.2.2原子發(fā)光和分子發(fā)光原子的線光譜?E=e?v=hC/λ，即λ=1239/?vnm共振輻射分子的帶狀光譜連續(xù)光譜4.3譜線的放寬

譜線的自然寬度譜線的多普勒放寬譜線的壓力放寬4.4輻射轉(zhuǎn)移輻射禁錮：一個(gè)光子從光源發(fā)出之前，要經(jīng)過多次反復(fù)的發(fā)射-吸收-再發(fā)射的過程，這種物理現(xiàn)象成為輻射禁錮。輻射禁錮會(huì)引起共振輻射的減弱4.5氣體放電燈的穩(wěn)定工作4.5.1氣體放電燈的負(fù)阻特性不穩(wěn)定原因：

a---電弧的V-A特性曲線；I增加，過剩電壓V1-V2，I繼續(xù)增加;I減少，不足電壓V3-V1，I繼續(xù)減少;∴不穩(wěn)定。電流無限增加或熄弧，直至燒毀。2.如何克服？串聯(lián)電阻，交流情況下，用電感，電容代替電阻。-----鎮(zhèn)流器或限流器電阻鎮(zhèn)流V0------電源開路電壓；a,b----燈及電阻的V-A特性；Vl-----燈管電壓；IR-----電阻電壓（用V0D向下畫的線段表示）。平衡時(shí)，V0=Vl+IR∴A,B二點(diǎn)滿足。分析A點(diǎn)：ifI增加?I→A’V0=Vl+I’R+?V

可見多出?V，∴I繼續(xù)增加，更遠(yuǎn)離A點(diǎn)∴A不是穩(wěn)定工作點(diǎn)。分析B點(diǎn)：ifI增加?I→B’

V0=Vl(VB’G)

+I’R(VDC)–VB’C

可見電壓不足，∴I將下降，