Тема 6. Электрический разряд в газах.

Рассматриваемые вопросы:

- условия возникновения и виды газового разряда;

- характеристика столба дуги и баланс мощности;

- условия устойчивой работы газоразрядных источников излучения.

Рекомендуемая литература:

- Гуторов М.М. Основы светотехники и источники света: Учебное пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1983.

- Епанешников М.М. Электрическое освещение. Учебное пособие для вузов. – М.: Энергия, 1973.

- Козинский В.А. Электрическое освещение и облучение. – М.: Агропромиздат, 1991.

Краткое содержание

Процесс электрического разряда, в газах и парах металлов, можно рассмотреть на примере газоразрядной лампы низкого давления.

Стеклянную трубку наполняют инертным газом, с добавлением дозированного количества ртути, и герметизируют.

Если к электродам приложить определенный уровень потенциала, то электрическое поле, возникающее между ними, воздействует на свободные электроны и ионы, присутствующие в газе.

В результате такого воздействия электроны движутся к аноду, а ионы к катоду, появляется электрический ток.

Ионы группируются у катода, образуя объемный положительный заряд, а электроны переносятся к аноду.

Вдоль трубки возникает неравномерное распределение потенциала, с малым градиентом потенциала у анода и с большим у катода.

В газоразрядных лампах возникает:

- газовый разряд, который разделяется на самостоятельный разряд (существует длительное время, пока есть напряжение) и несамостоятельный (существует, пока есть благоприятные факторы, например, подается напряжение высокой частоты);

- самостоятельный разряд подразделяется на тихий, нормальный тлеющий, аномальный тлеющий и дуговой (рис. 3.5.1.)

 

 

Рисунок 3.5.1 Вольтамперная характеристика самостоятельного разряда.

В газоразрядных источниках излучения чаще всего используются тлеющий и дуговой разряды.

Для тлеющего разряда характерно следующее:

- малая плотность тока у катода,

 

j = 10^-5÷10^-1 А·см^-2;

 

- высокое катодное падение потенциала, 100 - 300 В;

- малое давление газа (паров металла), от 1 ÷ 2 до (5÷ 6)·10³ Па.

Газоразрядный промежуток, разбивают на три области:

- катодную, в которую входит Астоново темное пространство (тонкий слой газа, примыкающий к катоду – 1); первое катодное свечение (2); пространство Крукса (темная область -3); отрицательное тлеющее свечение (4); темное пространство Фарадея (5).

- положительный столб (6);

- анодную, в которую входит анодное темное пространство (7) и анодная, тонкая светящаяся пленка(8).

Вольтамперная характеристика газоразрядной лампы, при питании постоянным током, приведена на рис. 3.5.2.

 

Рисунок 3.5.2 Вольтамперная характеристика газоразрядной лампы

 

Для дугового разряда характерно:

- малое катодное падение потенциала (примерно 10 В)

- высокая плотность тока у катода (10^-2 ÷ 10⁴ А ·см ^-2);

- при повышении давления в разрядном промежутке разряд стягивается в шнур (давление может быть от 0,133 до десятков миллионов Па).

Как видно из рисунка (3.5.2), значительную долю в газоразрядном промежутке занимает положительный столб дуги – 6.

При соответствующем напряжении между электродами, положительный столб дуги может еще больше увеличиться и тогда основная часть оптического излучения, будет исходить от него.

Положительный столб дуги имеет свои особенности:

- постоянное значение градиента потенциала вдоль оси разряда;

- плотность излучения столба постоянна по всей его поверхности;

- средняя энергия электронов в любом элементарном объеме столба, при низких давлениях, постоянна;

- химические процессы, происходящие в элементарном объеме столба дуги, при низких давлениях, одинаковы;

- число положительных зарядов, в любом объеме участка столба единичной длины, равняется числу отрицательных зарядов (кроме пристеночных областей); объемная плотность ионов и электронов одинакова,

 

n_i = n_e = 10¹³ ÷ 10³ см ^-3;

 

- число нейтральных атомов больше чем заряженных,

 

n = (10⁴ ÷ 10²) · n_e;

 

- кроме внешнего электрического поля, в столбе, возникает поперечное электрическое поле (за счет отрицательного заряда на стенке трубки).

- расход энергии пополняется за счет подводимой электрической энергии;

Подводимая электрическая энергия расходуется на нагрев газа. На излучение, на нагрев стенок трубки.

Поэтому, баланс мощностей можно представить в виде выражения:

Р_ст = Р_с + Р_г+Ф_ер+Ф_ен,

 

где Р_ст – мощность столба;

Р_с – мощность, идущая на нагрев стенок трубки;

Р_г - мощность, затрагиваемая на нагрев газа;

Ф_ер и Ф_ен – потоки излучений резонансных и нерезонансных линий.

В зависимости от давления в разрядном промежутке, доля составляющих баланса мощности может меняться.

Например, при давлении до 1,33 Па (0,01 мм рт. ст.) значительная часть мощности расходуется на резонансное излучение и нагрев стенок колбы, а при давлении от 1,33 Па до 133· 10³ Па большая часть энергии расходуется на нагрев газа.

Когда разряд происходит при малых плотностях тока и давления, то можно добиться значительного количества резонансного излучения, за счет подбора длины и диаметра разрядной трубки.

Если разряд протекает при больших давлениях и плотностях тока, то имеется большой выход нерезонансных излучений.

Выражение, определяющее падение напряжения в газоразрядной лампе можно представить в виде:

 

U_л = l_ст·Е + U_а + U_к,

 

где l_ст – длина столба;

Е - продольный градиент потенциала;

U_а и U_к – анодное и катодное падение потенциала.

При низких давлениях(до сотен Па), монохроматический поток излучения, с единицы положительного столба, можно найти по формуле:

 

Ф_еλ = h· ,

где h - энергия фотона резонансного излучения;

Z₀₁ (r) – число соударений, приводящих к возбуждению атома (в 1 с., в ед. объема, на раcстоянии r от оси,

 

Z₀₁ (r) = n₀·n_e·α₀₁;

α₀₁ – вероятность возбуждения атома до резонансного уровня).

Для разряда при низком давлении, в парах ртути, резонансные линии 253,7 нм, 184,9 нм

С ростом давления, потоки резонансных линий увеличиваются и достигают максимума при давлении около 4 Па.

При дальнейшем повышении давления потоки Ф_{еλ 1 и} Ф_{еλ 2} снижаются потому, что при повышении давления паров ртути увеличивается концентрация невозбужденных атомов и уменьшается электронная температура Т_е.

При понижении давлении (до 0,67 Па), поток линий с 184,9 нм больше, чем поток линий с 253,7 нм. При давлении более 0,67 Па поток линий становится меньше .

Это объясняется более низким потенциалом возбуждения .

Возникающее в разряде фотоны могут поглощаться атомами, что приводит к их возбуждению. Такие атомы, при соударении второго ряда, с электронами, передают им энергию и переходят из возбужденного состояния в нормальное состояние (процесс тушения).

Возбужденный атом может перейти в исходное состояние за счет излучения фотона, фотон может быть опять поглощен атомом, затем излучен и т.д., пока фотон не выйдет из зоны разрядного промежутка (процесс переизлучения).

Следует отметить, что при повышении давления и плотности потока тока увеличивается доля длинноволнового излучения и увеличивается интенсивность непрерывного фона.

 

 

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: