光源知識培訓-氣體放電的基本原理ppt課件

1、第四章 氣體放電的根本原理光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌4.1 氣體放電的輻射光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌自持放電條件(e -1)=1dVAd光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌KA一. 輻射的構成方式1. 激發(fā)態(tài)粒子回到低能級態(tài)(基態(tài))時的自發(fā) (受激)輻射線光譜E=h2. 正負帶電粒子的復合輻射 延續(xù)譜3. 帶電粒子的減速產(chǎn)生的軔致輻射光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌二. 線光譜hnm =En -Em =eVnm =hc/nmnm=1239/VnmVV nmnmE0EmEnE光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌hmnhn01. 不同元素的能級不同，其輻射的波長不

2、同 選擇性強2. 共振輻射的效率(特別是第一共振態(tài))最高3. 能級之間的躍遷服從選擇定那么4. 線光譜輻射的功率密度Pnm光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌定義 Pnm =nn Anm hnmAnm 從nm躍遷幾率LTE下 nn由Boltzmann分布描畫nn =n0 gng0exp(- )EnKTPnm=n0gng0Anm hnmexp(- )KTEnPnm：壓力p(n0)，溫度 T，能級性質(zhì)(En,Anm)光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌5. 可見輻射的E范圍E En-EmE1239380780E1.7ev(780nm)3.2ev(380nm)光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定

3、昌三. 分子的帶狀光譜EEeEvErEEeEvEr=E hEeEvErh=光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌以E e為主分辨率不高時，為帶狀光譜分辨率高時，有很多條譜線大部分光譜在可見區(qū)及紫外區(qū)Ra氣體放電燈矛盾：光效和顯色性熱輻射光源矛盾：光效和壽命光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌四. 延續(xù)光譜e +AA+Ea) h =E =Ei-Em+12meve2Ve=0為延續(xù)譜EEiEm12meve2光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌1. 復合輻射f-b躍遷由于慢電子濃度高(maxwell)而且更容易與正電子復合當v=0時0 =Ei-Emh為頻率下限c) 輻射總功率PcrZ ne Te

4、42-3/2光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌b) 延續(xù)譜的特征EEmEnhh0f-bf-fmeve2 - meve2meve21212122. 軔致輻射(f-f躍遷)e+A+A+e+Ea) h =12me(Ve -Ve )b) 可證 Pcb Z ne Te 2222-1/2光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌3.延續(xù)光譜產(chǎn)生的特點a)高氣壓大電流密度放電下，有強的延續(xù)光譜b)放電蒸汽元素的Z越大，延續(xù)光譜越強，且 以復合輻射為主c)高溫下，延續(xù)光譜以軔致輻射為主高光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌五. 氣體放電光源輻射的特點1. 任務溫度不受燈絲資料性質(zhì)的限制2. 輻射光譜可選擇3

5、. 壽命大大高于熱輻射光源，光維持性好4. 根本矛盾 -Ra 光譜放寬光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌4.2 光譜線的輪廓和放寬光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌一.光譜線的輪廓 光強度在一定波長區(qū)內(nèi)都有分布的景象，稱光譜線的放寬。其分布的外形就稱為譜線的輪廓。IcImax0hI光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌Prof.總強度It=Id1.產(chǎn)生放寬的機理a)輻射原子本身緣由：自然寬度，多普勒效應b)外界緣由：壓力放寬2.光譜線輪廓的類型光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌a)定義Prof.=II tIIdI=It*Prof. Id=ItProf.d=ItProf.d=ItPr

6、of.d=1 “歸一化性質(zhì)=光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌以頻率表示Prof.= c2Prof.以表示Prof.=12Prof.光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌b)色散型(洛侖茲力)輪廓Prof.=2 1(- 0) + ( )2c)高斯型輪廓 Prof.=( ) exp- 4Ln24Ln2(- 0)2222221光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌二.譜線的自然寬度tt+dtdnn=- Anm nn dtNn (t) =nn0e-Anmt=nnoe-t/nnm為躍遷的時間常數(shù)，是Anm的倒數(shù)光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌初始條件：t=0 n|t=0 =nn0海森伯(He

7、isenberg)測不準原理Enm=h/2=h1.定義：激發(fā)態(tài)原子壽命的不確定性引起能量的 不確定性，由此呵斥的譜線放寬稱自然寬度。2.輪廓類型色散型光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌三.譜線的多普勒放寬1.定義：多普勒放寬靜止：運動： 0 = c0 = c+vx0=c0+vx0= 0 + 0 vxc - 0 0=vxc= 02.輪廓類型 Gausstype光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌察看者VVx四.譜線的壓力放寬1.定義：受激原子受其它粒子的碰撞作用，使 輻射形狀受干擾而產(chǎn)生的譜線放寬稱壓力放 寬。a)共振放寬：同種原子對激發(fā)態(tài)原子的干擾b)范德瓦爾斯放寬：不同種類原子對激發(fā)態(tài)

8、原 子的干擾c)斯塔克放寬：帶電粒子對激發(fā)態(tài)原子的干擾光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌2.輪廓的類型 色散型a)Lorentz實際：干擾下停頓輻射b)Lentz-Weisskof實際：干擾時輻射的 頻率發(fā)生變化c)Lindholm實際：干擾時相位產(chǎn)生位移光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌Reference:1.W.Newman: Spectrosopic Methods of Plasma Diagnostics2.統(tǒng)計物理學導論3.原子光譜學和激發(fā)光譜學光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌4.3 輻射轉移光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌一. 光譜的發(fā)射系數(shù)和吸收系數(shù)1. 躍

9、遷過程的分類 自發(fā)輻射躍遷 躍遷幾率 Anm 吸收躍遷 吸收躍遷幾率 BmnB() 感應輻射躍遷 感應躍遷幾率 BnmB()光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌nm自發(fā)輻射吸收感應輻射平衡下：Anmnn+BnmB()nn = BmnB()nm1LTE下：nnnm=gngmexp(- )KThnm聯(lián)立解有：B() =AnmBnm1gmBmngnBnmehKT-12光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌由planck公式：B() =8hc33eKT-1h1所以8hc33BnmAnm =gmBmn =gnBnm32光譜的發(fā)射系數(shù)光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌定義： =dtdVddd E4

10、= +si4自發(fā)輻射感應輻射有： =s41nn Anm hProf.5光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌由5和6得：對應： =i41nn BnmB() hProf.c1nn Bnm LB hProf.=6其中：LB =4cB()si=c22h3LB 7光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌平衡下：41nn Anm hProf.c1nn Bnm LB hProf.+c1nm Bmn LB hProf.=8光譜的吸收系數(shù)：K= -dLLdxdL=L-L定義：其中光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌xx+dxLL物理意義：L(x) =L(0)e-Kx由基爾霍夫定律：LB =K=2 hc23eK

11、T-1h19平衡下： = += K LB si對應8式：Kc1nn Bmn hProf.=10光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌0 x x0L(0)L(x)對某一譜線：L =line d=s41nn Anm hc1nn Bnm LB hL =line d=siiKL =line K d=c1nm Bmn h光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌假設把看作負吸收，有總的吸收系數(shù)Ki += K LB平衡下： siK LB=s所以：K LB K LB ic1nm Bmn LB hProf.=c1nn Bnm LB hProf.-光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌=c1nmBmn LB hPr

12、of.(1- )nmBmnnnBnm=K LB(1-e )KTh-11nnnm=gngmexp(- )KThgmBmn =gnBnmK LB =K LB(1-e )h-KT12光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌 +=K LB eh-KTK LB=h-KTe13二. 輻射轉移方程dL(x)= (x)dx- K (x)L(x)dx dL(x)dx=(x)- K (x)L(x) 1光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌L(0)L(x)L(x0)L(x+dx)0 x x+dx x0單位面積1.(x)=0dL(x)dx= - K (x)L(x) dL(x)L(x)= - Kdx2在 0 x和 L(0

13、) L(x)間積分L(x)= L(0) exp(- K(x)dx)0 x分開等離子體的輻亮度：L(x0)= L(0) exp(- K(x)dx)0 x0光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌342.(x)0設試解：L(x)= u(x) exp(- K(x)dx)x0 x代入后解得：+L(0) exp(- K(x)dx)0 x0L(x0)= (x)dx exp(- K(x)dx)0 x0 xx0光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌5三. 以光性厚度為變量的輻射轉移過程定義： K(x)dx為xx0區(qū)間的光性厚度輻射轉移方程1可寫為：dL(x)dx=(x)- K (x)L(x) dL(x)dxdddL(x)d-K(x)光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌xx0dL(x)d= L(x) -(x)K (x)= L(x) -S(x)6S(x)=(x)K (x)=2 hc23eKT-1h1光源原理與設計氣體放電的根本原理諸定昌代試解：L()u()eL()- S()e d -(,0) +L(0)e e-(,0)分開plasm