氣體放電學(xué)原理

1、氣體放電學(xué)原理1. 碰撞，激發(fā)與電離1) 碰撞碰撞分為彈性碰撞與非彈性碰撞，彈性碰撞只改變電子及分子的運(yùn)動(dòng)方向，非彈性碰撞則引起原子的激發(fā)與電離。2) 潘寧效應(yīng): Penning Effect若A，B分別為不同種類(lèi)的原子，而且，原子A的激發(fā)電位大于原子B的電離電位，當(dāng)受激原子A與基態(tài)原子B碰撞后，使基態(tài)原子B電離，受激原子A的能級(jí)降低或變?yōu)榛鶓B(tài)原子A，這種過(guò)程稱(chēng)為潘寧碰撞或潘寧效應(yīng)。 例如: Ne的亞穩(wěn)態(tài)激發(fā)電位是16。53V，大于Ar的電離電位15。69V。3) 電離前的管內(nèi)電流電壓變化原理 (瞬間變化)當(dāng)電壓逐漸增加時(shí)，電流逐漸增加；電壓增加到一定程度時(shí)，開(kāi)始有原子被激發(fā)，電子能量被轉(zhuǎn)移，

2、此時(shí)電流反而減小；當(dāng)電壓繼續(xù)增加時(shí)，電子能量繼續(xù)增加，電流再次增大。4) 激發(fā)與電離規(guī)則有效碰撞面積越大，激發(fā)與電離的幾率越大電子的運(yùn)動(dòng)速度越大，激發(fā)與電離的幾率越大；但電子速度到一定程度時(shí)，來(lái)不及與原子發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，激發(fā)與電離的幾率反而減小。 當(dāng)電子速度非常大時(shí)，激發(fā)與電離的幾率再次增加。5) 特殊形式的激發(fā)與電離a光致激發(fā)與光致電離熱激發(fā)與熱電離: 在輝光放電中，原子熱運(yùn)動(dòng)很小，熱電離和熱激發(fā)作用極其微弱，可以忽略；但在高壓氣體和超高壓氣體中的弧光放電，熱電離和熱激發(fā)過(guò)程就必須考慮。 溫度越高，激發(fā)和電離越多。b放射性射線引起的激發(fā)和電離a射線引起的電離: 相當(dāng)于高速正離子和氣體的第一類(lèi)非

3、彈性碰撞，電離能力很大。b射線引起的電離: 相當(dāng)于高速電子和氣體的第一類(lèi)非彈性碰撞，電離能力較弱。g射線引起的電離: 相當(dāng)于能量很大的光引起的光致電離，穿透力極強(qiáng)，對(duì)氣體電離作用十分顯著。6) 帶電粒子的消失帶電粒子的消失有兩種: a. 帶電粒子的復(fù)合 ；b.帶電粒子在外電場(chǎng)作用下跑上電極而消失。帶電粒子的復(fù)合有空間復(fù)合與管壁復(fù)合：空間復(fù)合: 正負(fù)粒子在放電空間相互作用而形成中性粒子，包括電子復(fù)合及離子復(fù)合。管壁復(fù)合: 放電熄滅后，管內(nèi)電極電位與管壁相同，電子與正離子會(huì)從放電空間跑上管壁及電極表面，并且復(fù)合，這一過(guò)程稱(chēng)為管壁復(fù)合。7) 湯生電子繁流(電子雪崩)理論電子從陰極跑向陽(yáng)極的路程中，不

4、斷與氣體原子發(fā)生碰撞電離，新產(chǎn)生的電子也向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生更多的電子，電子越來(lái)越多，電子流迅速增長(zhǎng)的過(guò)程叫做電子繁流或電子雪崩。a: 湯生第一電離系數(shù)，代表電子對(duì)氣體的空間電離。b: 正離子的空間電離系數(shù)，代表離子對(duì)空間氣體的電離。g: 正離子的表面電離系數(shù)，湯生第二電離系數(shù)。 代表正離子轟擊陰極表面，使陰極逸出二次電子。 8) 巴邢(Paschen)定律在其它條件不變時(shí)，擊穿電壓(著火電壓)Ub不是單獨(dú)地與壓強(qiáng)P或極間距d有關(guān)，而是與Pd的乘積有關(guān)。 隨著Pd由小到大，Ub先下降而后上升，存在一個(gè)最小值Umin。A，B是取決于氣體種類(lèi)的常數(shù)，C可以看作常數(shù)。除了Pd以外，影響擊穿電壓(著火電壓)

5、的其它因數(shù)有： a .氣體的種類(lèi)和成分當(dāng)基本氣體加入少量的雜質(zhì)氣體，即使含量很少，也將明顯的改變擊穿電壓(著火電壓)。當(dāng)雜質(zhì)氣體電離電位小于基本氣體的亞穩(wěn)態(tài)激發(fā)電位，由于潘寧效應(yīng)，將使擊穿電壓降低。例如氫氮混合氣體，當(dāng)基本氣體氮摻入不同含量的雜質(zhì)氣體氫時(shí)，可使混合氣體的擊穿電壓有不同程度的降低。氣體比例不同擊穿電壓也不同。在惰性氣體中混入雙原子分子雜質(zhì)氣體，往往會(huì)使擊穿電壓升高。 因?yàn)殡p原子分子吸收碰撞能量轉(zhuǎn)換為能級(jí)能量或分解，而沒(méi)有發(fā)生電離。b.電極材料和表面狀況電極材料主要通過(guò)g系數(shù)影響擊穿電壓。若陰極逸出功低，則g較大，相應(yīng)的擊穿電壓也較低。 陰極表面狀況對(duì)擊穿電壓也有影響。氣體放電管的

6、老化過(guò)程就是為了清潔電極表面和純化工作氣體，使擊穿電壓由極不穩(wěn)定變?yōu)楸容^穩(wěn)定。c.電極分布的影響電極的形狀應(yīng)該有利于強(qiáng)電場(chǎng)的形成，以便快速形成擊穿電流運(yùn)動(dòng)軌跡，制造雪崩放電。d.外界電離源9) 羅果夫斯基理論在電子繁流(電子雪崩)過(guò)程中，電子向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，越靠近陽(yáng)極新產(chǎn)生的電子和正離子越多。 電子速度快，很快跑上陽(yáng)極消失，而正離子移向陰極的速度很慢，這樣在陽(yáng)極前面就形成正空間電荷，改變電極間的電位分布，相當(dāng)于陽(yáng)極往陰極方向移動(dòng)。從而電場(chǎng)增強(qiáng)，電離系數(shù)a，b和g也增加了。10) 氣體放電種類(lèi)穩(wěn)態(tài)放電: 輝光放電，弧光放電，電暈放電非穩(wěn)態(tài)放電: 低頻交流放電，火花放電，高頻放電和脈沖放電2 氣體放電

7、過(guò)程1) 氣體放電的過(guò)程O(píng)AB: 無(wú)聲非自持放電，沒(méi)有電子碰撞電離發(fā)生BC: 非自持暗放電，部分電子獲得足夠的能量引起電子碰撞電離，放電電流明顯增大，發(fā)光很微弱。CD: 由非自持放電過(guò)渡到自持放電，C點(diǎn)稱(chēng)為擊穿電壓(著火電壓)。EF: 輝光放電，是一種穩(wěn)定的小電流自持放電(10-4 10-1A)。FG: 反常輝光放電，管壓很高，陰極發(fā)生強(qiáng)烈的濺射。HI In: 弧光放電，放電電流猛增，是一種穩(wěn)定的大電流自持放電，電流在10-1A以上，發(fā)出比輝光放電強(qiáng)烈得多的光輝。2) 氣體放電的維持條件管內(nèi)條件: 氣體成分，氣體壓力(密度)，電極形狀和位置，電極材料與表面狀況，電流密度等。管外條件: 電源極限

8、功率，限流電阻R，外致電離源等。如圖中所示，R1>R2，根據(jù)負(fù)載線可以看出，R1只有一個(gè)交點(diǎn)產(chǎn)生不穩(wěn)定的暗放電，R2則能有機(jī)會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的弧光放電。3. 輝光放電1)正常輝光放電輝光放電是一種高電壓低電流的自持放電，陽(yáng)極發(fā)射電子主要靠正離子轟擊陰極表面的g過(guò)程。放電時(shí)管內(nèi)出現(xiàn)明暗相間的輝光。輝光放電時(shí)的管壓降比擊穿電壓(著火電壓)低得多。正柱區(qū): 電子和離子濃度很大，而且相等，稱(chēng)為等離子區(qū)。由于帶電粒子濃度很大，導(dǎo)電能力很強(qiáng)，因此就像導(dǎo)體一樣在氣體放電中起著傳導(dǎo)電流的作用。負(fù)輝區(qū)最亮。對(duì)于維持放電來(lái)說(shuō)，最重要的是陰極區(qū)。從陰極發(fā)射出來(lái)的電子，僅在陰極區(qū)引起電子繁流(電子雪崩)，電子增長(zhǎng)在陰

9、極暗區(qū)最強(qiáng)。2)反常輝光放電當(dāng)陰極發(fā)射電子面積占滿了整個(gè)陰極后，若再要增加電流，就必須增加電流密度，而要增加電流密度又必須增加陰極位降。我們把陰極位降隨電流密度而增加得輝光放電叫反常輝光放電。在反常輝光放電中，電流密度越大，陰極位降越高，陰極位降區(qū)的功率損耗越大，在陰極表面產(chǎn)生嚴(yán)重的濺射現(xiàn)象。陰極濺射的一些規(guī)律:· 轟擊的正離子質(zhì)量越大，濺射越厲害· 被濺射的顆粒沿直線向各處飛散· 電流密度越大，濺射越厲害· 陰極位降越大，濺射越厲害· 氣壓越高，陰極濺射越小· 陰極材料不同，濺射不一樣4. 弧光放電1)弧光放電弧光放電包括熱陰極放電

10、和冷陰極放電。熱陰極: 單獨(dú)被加熱的陰極或被反常輝光放電加熱到高溫的由難熔材料做成的自持熱陰極，陰極上產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱電子發(fā)射，由輝光放電到弧光放電可能是逐漸的過(guò)渡曲線。冷陰極: 對(duì)于銅，鐵等自持冷陰極，易蒸發(fā)，導(dǎo)熱性能好，陰極溫度不可能很高，其電子發(fā)射一般是場(chǎng)致發(fā)射?；」夥烹娍臻g可以分為: 陰極區(qū)，陽(yáng)極區(qū)和作為電流導(dǎo)通的等離子區(qū)。2)弧光放電的陰極現(xiàn)象在反常輝光放電中，高速正離子轟擊陰極，陰極溫度陡然升高產(chǎn)生強(qiáng)烈電子發(fā)射。這時(shí)的陰極發(fā)射逐漸地集中到陰極的小部分區(qū)域，該處逸出功最小，溫度最高，叫做陰極斑點(diǎn)。 對(duì)于陰極來(lái)說(shuō)，陰極斑點(diǎn)一般是不變的。3)弧光放電的正柱區(qū)現(xiàn)象正柱區(qū)是等離子區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)

11、電子數(shù)和正離子數(shù)是相等的。對(duì)于HID來(lái)說(shuō)，由于電子與高密度氣體的頻繁碰撞，使氣體溫度升得很高，并且分布不均勻。管軸氣體500010000K，管壁氣體一般小于1000K，徑向溫度梯度達(dá)到幾千度/毫米。 管軸帶電粒子向管壁擴(kuò)散，由于管壁冷區(qū)氣體密度大，遷移率小，向管壁擴(kuò)散的帶電粒子對(duì)電流的貢獻(xiàn)可以忽略。從而有大量的帶電粒子在管壁附近復(fù)合，因此，在正光柱周?chē)呙芏葰怏w代替管壁起到限制正柱區(qū)的作用。正光柱有一個(gè)最佳半徑: 如果正光柱很粗，電流密度小，氣體溫度低，電離度小，導(dǎo)電率小，要維持電流就需要加大電場(chǎng);如果正光柱很細(xì)，氣體溫度高，電離度大，導(dǎo)電率大，但截面積小而不能維持足夠的電流，也必須加大電場(chǎng)。

12、5. 技術(shù)名詞1) 光通量: 流明lm單位時(shí)間dt內(nèi)通過(guò)單位面積ds的光能量F。 F = Q / dsdt。2) 光強(qiáng)度光源在給定方向的單位立體角W中發(fā)射的光通量。I = F / W。3) 光出度光源單位面積上向半個(gè)空間內(nèi)發(fā)出的光通量。M = F / S。4) 光照度投射在被照物體單位面積上的光通量。E = F / S。5) 光亮度光源在某一給定方向上的單位投影面上、在單位立體角中發(fā)射的光通量。L( j，q ) = F (j，q ) / S × cosq × W。6) 光效: 流明/瓦lm/w。光源所發(fā)出的光通量F和該光源所消耗的電功率P之比。 h= F / P。7) 顯色

13、指數(shù): 百分比%。光源照射在物體上時(shí)，使被照物體的顏色再顯現(xiàn)出來(lái)的能力8) 色溫: 度K黑體發(fā)光是連續(xù)光譜，光譜分布僅僅由溫度決定，就是說(shuō)知道黑體的溫度就等于知道了它的輻射光譜分布。 這種與光譜分布或顏色相關(guān)的黑體溫度稱(chēng)為色溫。9) 相關(guān)色溫: 度 K氣體放電光源的光譜能量分布不是連續(xù)光譜，因此不能稱(chēng)色溫。光源所發(fā)出的光譜與黑體在某一溫度下發(fā)射的光譜最接近，我們稱(chēng)黑體的這一溫度為該光源的相關(guān)色溫。 詳細(xì)解釋見(jiàn)下表。色溫色相低于3300 K暖白色 (淡黃白色)3300 - 5000 K中間白色超過(guò)5000 K冷白色 (淡藍(lán)白色) 1) 金鹵燈的最小電壓隨著燈的點(diǎn)燃啟動(dòng)，燈電壓從電源電壓（220V

14、）很快下跌到12-20V左右，這是冷態(tài)燈的啟動(dòng)特性。在汞-氬混合氣中發(fā)生弧光放電的管壓降，稱(chēng)為最低電壓。對(duì)于確定的電極結(jié)構(gòu)，該電壓對(duì)放電管內(nèi)氫氣十分敏感，因?yàn)闅逶拥膩喎€(wěn)態(tài)激發(fā)電位為11。53V，電離電位為15。8V，均高于氫的亞穩(wěn)電位和電離電位（分別為11。1V和13。54V），加以H2與電子的有效碰撞截面較大，因此H2將大量吸收電子能量產(chǎn)生激發(fā)與電離，而氫離子會(huì)很快擴(kuò)散遷移和復(fù)合，導(dǎo)致電子能量大量消耗并減少了正例子對(duì)空間負(fù)電荷的補(bǔ)償作用，所以當(dāng)氬氣中混有氫氣時(shí)，會(huì)引起電弧收縮，管壓降上升等現(xiàn)象。所以根據(jù)最低電壓的高低并對(duì)照再啟動(dòng)電壓鋒可以直接判斷管內(nèi)含氫量，這是判斷燈的內(nèi)在質(zhì)量的一個(gè)重要指

15、標(biāo)。有關(guān)氫的來(lái)源和氫在金鹵燈內(nèi)的危害性，已有較多論述，這里從略。當(dāng)電弧產(chǎn)生以后，管內(nèi)溫度升高，汞迅速蒸發(fā)，氣壓逐步上升，管壓降相應(yīng)增大。燈電流也隨之緩慢下降，而燈功率則相應(yīng)上升，最后穩(wěn)定在正常工作狀態(tài)。由圖可見(jiàn)，整個(gè)的過(guò)渡過(guò)程大約為2-3分鐘。 金鹵燈啟動(dòng)后燈電壓、燈電流、燈功率隨時(shí)間的變化2) 金鹵燈的再啟動(dòng)電壓金鹵燈是工作在50周的交流狀態(tài)，每個(gè)周期中燈電流有兩次過(guò)零和相應(yīng)的再啟動(dòng)的過(guò)程。在過(guò)渡過(guò)程中，隨著管內(nèi)氣壓的上升，帶電粒子自由程的減小，再啟動(dòng)電壓和燈電壓降均相應(yīng)上升，這時(shí)電極發(fā)射電子的能力與管內(nèi)的雜質(zhì)氣體的含量及性質(zhì)均會(huì)影響到再啟動(dòng)電壓及燈壓降的大小，所以在過(guò)渡過(guò)程中再啟動(dòng)電壓峰也

16、是反映燈管內(nèi)在質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)。圖2為某正常的100瓦燈管從點(diǎn)燃到穩(wěn)定過(guò)程中管壓降波形隨時(shí)間的變化，圖中（a）、（b）、（c）、（d）分別對(duì)應(yīng)上圖中電壓曲線上的a、b、c、d四點(diǎn)，儀器還記錄了相應(yīng)的再啟動(dòng)電壓峰及啟動(dòng)以后的最低電壓。我們注意到50W金鹵燈的曲線也完全類(lèi)似。(a)(b)?(d)金鹵燈在過(guò)渡過(guò)程中管壓降波形隨時(shí)間的變化當(dāng)實(shí)時(shí)電壓在最低電壓附近時(shí)（a圖與b圖），管內(nèi)氣體密度尚未有明顯上升，電子自由程度較大，易于積累能量，加以空間僅為Ar與Hg組成的潘寧氣體，易于電離，而且燈電流很大，在電源電壓過(guò)零點(diǎn)時(shí)管內(nèi)剩余電荷濃度較大，因而很容易再啟動(dòng)，管壓降在整個(gè)半周中，沒(méi)有明顯的變化，與方波

17、類(lèi)似。隨著管內(nèi)氣壓的上升，管壓降升高和再啟動(dòng)電壓相應(yīng)提高，并在再啟動(dòng)的最初的兩毫秒左右，管壓降逐漸呈現(xiàn)一個(gè)明顯的隆起（c圖與d圖），這說(shuō)明再啟動(dòng)的最初階段電極間電離不夠，正電荷濃度較低不足以補(bǔ)償陰極發(fā)射電子的負(fù)空間電荷作用，必須有較高的電壓才能保證放電發(fā)展。隨著放電的發(fā)展，管內(nèi)電荷濃度和燈電流上升到正常值，管壓降也隨之趨于正常。當(dāng)電源電壓處于下降段向負(fù)半周過(guò)渡時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，如果電極有足夠的電子發(fā)射，每半周的放電可以維持到電源電壓非常接近于零，電壓過(guò)零時(shí)，電流變化的速度就不足以引起鎮(zhèn)流電感產(chǎn)生突變的感生電勢(shì)，所以管壓降的前后沿與外加電源電壓的變化趨勢(shì)是基本一致的（圖2d）。6. 生產(chǎn)工藝空氣焙燒(Air Baking)l 去處洗不掉的表面殘留的有機(jī)物l 徹底去除吸收的水份l 去除操作過(guò)程中沾染的表面臟跡真空焙燒(vacuum Baking)l 去除表面洗不掉的污染物l 蒸發(fā)掉殘留的水汽7. 產(chǎn)品性能各種燈泡性能對(duì)比表:光源種類(lèi)光效（Lm/W）顯色指數(shù)Ra色溫（K）平均壽命（小時(shí)）白熾