（电力电子与电力传动专业论文）600w高压钠灯调光型电子镇流器研究.pdf

浙z 大掌礤j 岸位论文 a b s t r a c t t os a v e e n e r g y ，t h e d i m m a b l eb a l l a s tf o rh i dl a m p sh a sa t t r a c t e dc o n s i d e r a b l e a t t e n t i o na n dr a i s e dm a r k e te x p e c t a t i o n st h r o u g hi t sd i v e r s i f i e dp r o d u c tr a n g e t h i st h e s i s m a i n l y c o n c e r n st h ed e v e l o p m e n to f d i m m a b l ee l e c t r o n i cb a l l a s tf o rh i d l a m p s a tt h eb e g i n n i n go ft h et h e s i s ，c h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tg a sd i s c h a r g el a m p s ，i , e f l u o r e s c e n tl a m p sa n dh i dl a m p s ，a r ei n t r o d u c e d t h eo p e r a t i o np r i n c i p l e s ，s u p e r i o r i t ya n d d e v e l o p m e n t s o f e l e c t r o n i cb a l l a s ta r ea l s op r e s e n t e d c h a p t e r 2a n a l y z e st h ep h y s i c a lp r o c e s so f t h e d i s c h a r g eb a s e d o nm i c r o c o s m i c t h e o r y ， a n dt h e nd e s c r i b e st h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f h i d l a m p su s i n g t h el o c a lt h e r m o d y n a m i c e q u i l i b r i u m ( l t e ) c o n c e p t c h a p t e r3e m p h a s e so nt h ed e v e l o p m e n to fap s p i c em o d e lf o rh p sl a m p s i ti s d e r i v e db yc u r v e - f i t t i n gm e t h o d ，a n dp e r f o r m sw e l li nt h ed e s i g no fd i m m a b l ee l e c t r o n i c b a l l a s tf o rh p s l a m p s w i t hd i f f e r e n t p o w e r l e v e l c h a p t e r 4r e v i e w sa l la v a i l a b l ed i m m i n gm e t h o d sp r e s e n t l y ap r o t o t y p eo fd i m m a b l e e l e c t r o n i cb a l l a s tf o r6 0 0 wh p s l a m pi sd e v e l o p e d i t sd e s i g np r o c e d u r ei sd e t a i l e di nt h i s c h a p t e r f i n a l l y ，an o v e ld i m m i n ga p p r o a c h b a s e do natt y p ef i l t e ri sp r o p o s e d u s i n gt h i s m e t h o d w i d ed i m m i n gr a n g ec a nb ea c h i e v e dw i ln a r r o wf r e q u e n c yr a n g ea n dc o n s t a n td c l i n kv o l t a g e a n dt h el a m pc u r r e n tk e e p sp e r f e c ts i n ew a v ea l lt h et i m e ，w h i c hm e a n sl o w l a m pc u r r e n t c r e s t f a c t o r ( c c f ) i so b t a i n e d i t sv a l i d i t y i sv e r i f i e d b y s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t k e y w o r d s ：h i d l a m p s ，e l e c t r o n i cb a l l a s t , m o d e l ，d i m m i n g 第一章绪论 1 1 气体放电灯的分类及比较 如果说白炽灯为人类在漫漫长夜带来了光明，那么气体放电灯为人类在漫漫长夜 带来了绚丽和色彩。可以毫不夸张地说，气体放电灯的发明将在人类文明史上刻下深 深的一笔。 气体放电灯种类繁多，可以有不同的分类方法。 根据工作原理的不同可以分为：辉光放电灯和弧光放电灯。辉光放电灯包括霓虹 灯、辉光指示灯等，这类灯阴极位降较大( 1 0 0 v 左右) ，电流密度较小，通常需要很 高的工作电压；弧光放电灯放电时阴极位降较小( 1 0 v 左右) ，电流密度较大，这类 灯通常需要专门的启动器件和工作线路才能正常工作。荧光灯、高压汞灯、低压和高 压钠灯、金属卤化物灯等均属于这一类放电灯。 根据放电管中放电气体的气压的不同，气体放电灯又可以分为以下两种：低气压 放电灯和高气压放电灯。低气压放电灯有荧光灯、低压钠灯、长弧氙灯等；高气压放 电灯又称高强度气体放电灯c h i g hi n t e n s i t yd i s c h a r g el a m p ) ，简称h i d 灯，包括高 压汞灯、超高压汞灯、高压钠灯( h p s ) 、金属卤化物灯( m h l ) 、短弧氙灯( 又称 超高压氙灯) 、脉冲氙灯( 又称氙闪光灯) 等。 本文的研究对象主要是继白炽灯之后的第二代电光源荧光灯以及第三代光源高压 钠灯和金属卤化物灯。它们都属于气体放电灯中的弧光放电灯，只是放电气体气压高 低不同。因此，本文中用气体放电灯来直接指代弧光放电灯，用低气压放电灯直接指 代低气压弧光放电灯，用高气压放电灯( h i d 灯) 直接指代高气压弧光放电灯，这也 是通常的做法，在这里有必要做一下说明。 下面我们来比较一下这三代电光源的优劣。 在比较之前，我们还是有必要先了解一些描述光源照明效果的光量参数“。这些 参数包括两个方面：光度和色度。光度参数主要有光通量和光效，色度参数主要有色 温和显色指数。 光通量：即可见光的输出，由于人眼对不同波长的光的视觉灵敏度的不同，因此 在光学特性上并不直接用辐射能量来衡量光能的大小，而是用人眼对光的相对感觉量 来衡量，这个量就是光通量。光通量指在单位时间内在可见光范围内光源所辐射的光 总量，通常以巾表示，单位为l m ( 流明) 。光源的光通量越大，则人眼感觉越明亮。 发光效率：所谓发光效率( 简称光效) 是指电光源所发出的光通量巾和它所消耗 的电功率p 之比，其单位是l m w ( 流明瓦) 。光效是电光源的一个重要指标，它表 示电光源将电能转换成光能的效率。提高光效是目前电光源研究中的一个重要方面。 色温：色温是描述光源色表( 即人眼直接观察光源时所看到的颜色) 的参数。将 一标准黑体( 如铁块) 逐渐加热，随着温度升高，其颜色由深红一浅红一橙黄一白一 蓝白一监逐渐改变，利用这种光色变化的特性，当电光源发射的光的颜色与标准黑体 在某一温度下的光色相同时，称黑体的这个温度为该电光源的色温，以绝对温度来表 示。但是，根据以上所述的色温定义，对于线光谱较强的气体放电光源来讲就不合适 了，这时为了比较还是用了“相关色温”的概念。“相关色温”的定义是这样的：当 气体放电光源的光与黑体在某一温度下辐射光的颜色最接近，则称黑体的这个温度为 气体放电光源的“相关色温”。 显色指数：用不同光色的光源照射物体时，物体呈现的颜色( 物体在人眼中产生 的颜色感觉) 是不同的，这种光源还原色彩的能力就是光源的显色性。光源的光谱能 量分布决定了光源的显色性。为了对光源的显色性进行定量的比较，引入了显色指数 的概念。把太阳光的显色指数定为1 0 0 ，其它人造电光源的显色指数均与之比较而定。 显然，人造电光源的显色指数都低于1 0 0 。显色指数是衡量电光源质量的又一个重要指 标。在某些对照明质量要求高的地方，电光源的显色指数必须很高才行。 在了解了这些光源的光量参数以后，我们结合其他一些方面比如灯的寿命和成本 等来比较一下白炽灯、荧光灯、高压钠灯即金属卤化物灯的优劣。 白炽灯作为低照度的室内照明用灯，具有以下特点： ( 1 )显色性好，显色指数可达9 5 9 7 ，用白炽灯照明时颜色几乎不失真； f 2 )色温很低( 2 7 0 0 2 9 0 0 ) ，色表偏红偏黄，使人感到很舒适，适于居室明； ( 3 )启动性能好，即灯点燃后，灯的光输出很快达到额定值，不需要启动时间； ( 4 )体积小，成本低； ( 5 )光输出可随电源电压而连续不断地变化，易于调光。 荧光灯是低气压放电灯，是现在室内照明的主要电光源，与白炽灯相比具有以下 的特点： ( 1 )发光效率高、寿命长，普通卤磷酸钙荧光粉的4 0 瓦荧光灯的光效可达6 0 流明瓦，比白炽灯高4 倍，寿命可达1 0 0 0 0 小时，比白炽灯长l o 倍； ( 2 1显色性较好，不同的荧光粉显色指数可在4 5 9 5 之间，一般在5 0 6 5 之 间： ( 3 )光线柔和、无眩光，包温范围较宽( 2 9 0 0 7 5 0 0 k ) ，能满足不同场合的 色温要求； ( 4 )光输出随电源电压变化小，在我国的很多地区，照明用电电压很不稳定， 晚间负荷高时电压常在1 8 0 2 2 0 伏之间波动，但荧光灯的光输出却变化很 小，不影响视觉，荧光灯的这一优点是其他灯种所不具备的。 高压钠灯( h p s ) 和金属卤化物灯( m h l ) 都属于高强度气体放电灯，它们基本 发光原理是相似的，之所以产生不同的光输出，主要是由于它们的填充气体( 或蒸气) 的种类不同。表1 1 所示为这两种灯的气体成分、特点及应用场合的比较。 表1 1高强度气体放电灯特性比较 ， 高压钠灯金属卤化物灯 主要填充气体钠蒸气、汞蒸气、氚碘化钠、碘化铊、碘化铟 功率范围3 5 w 1 5 0 0 w1 0 w 1 m w 光效( 流明瓦) 7 0 1 2 56 0 1 2 0 显色指数 3 06 0 - - 9 0 光色黄一金白色白色 平均寿命( 小时) 8 k 2 4 k5 0 m 之o k 广场、商场、体育场照明，建筑物 主要应用场合道路、机场、码头及工矿企业照明 泛光及投光照明 1 2 气体放电灯的电特性与模型 通过上一节对三代电光源的比较我们可以看到，荧光灯的光效比白炽灯高得多， 高压钠灯和金属卤化物灯则更高，电光源的发展主线是光效的提高，也就节能的方向。 但是，随着电光源的发展，灯本身却越来越复杂，所需的灯具也越来越复杂。 我们都知道，白炽灯的电特性可以简单等效为一理想的电阻，但是，气体放电灯 则要复杂得多。我们先简单地来看一下下面这几幅图所示的气体放电灯的典型特性， 图1 1 为直流稳定工作时的伏安特性，图1 - 2 为在工频驱动时的灯电压电流波形，图 1 3 则为高频驱动时的灯电压电流波形。 圈1 1气体放电灯直流稳定工作时典型的伏安特性 髓kj ks t 4 p mp n 500 0 0 5 图1 - 2气体放电灯在工频驱动下典型的工作波形 ： ：崩营萄r 芑畦蘑蕊一+ 榉y f , 6 i 盍。55 “# 衙7 一 图1 - 3气体放电灯在高频驱动下典型的工作波形 可以看到，气体放电灯在不同情况下的电特性各不相同，况且这些还只是稳态特 性，再加上启动特性，可以说，气体放电灯是一个强烈非线性的负载。简单地说，气 体放电灯存在着“负阻特性”，即随着工作电流的增大电压减小。这些具有负伏安特 性的气体放电灯不能直接应用于电压源上，否则微小的电压波动将导致电流无限制地 增加直到烧毁灯管或者导致电流无限制地减小引起熄弧。因此，气体放电灯往往需要 专门的工作线路才能工作，也就是我们熟知的镇流器。 对于镇流器的设计来说，对气体放电灯的非线性特性的充分了解是必需的。在设 计过程中，以恒定电阻代替灯是远远不够的，准确而实用的灯模型有利于更深刻地理 解灯特性，更好地设计镇流器。 事实上，从上个世纪中叶以来，很多人都在致力于气体放电灯建模的研究工作， 这些人中包括应用物理学家也包括电气工程师，他们所完成的灯模型主要分为以下几 种： 1 第一种是物理学家们提出的非常复杂的物理模型1 2 0 l i a l i ，这些模型涉及到气体放 电灯的各种光电参数，其目的是为了指导光源本身的优化设计。对镇流器设计工程师 们来说，这种模型虽然能相当精确地描述灯在各种工作方式下的特性，却太过复杂， 4 而且往往不能与电气工程师经常使用的软件( p s p i c e 、s u c c e s s 等) 相兼容，因此并无 多大实用性。 2 鉴于物理模型的复杂性和不实用性，电气工程师们根据灯在各种驱动条件卜- 所表 现的外部电特性建立了一些很简单的经验性模型1 2 5 1 1 2 6 1 1 3 6 1 来描述灯的电压一电流特性。 这些模型能在通用的仿真软件中使用，但其对灯的通用性和准确性有待于进一步提高。 3 最近人们建立了一些与通用仿真软件兼容的基于物理机制的模型i 2 7 1 1 2 8 1 1 3 4 l 。这种 模型能较准确地描述灯在不用工作方式下的特性，是镇流器设计工程师们的最佳选择。 随着仿真工具的发展，m a s t 等行为描述语言的出现，使建立准确的物理仿真模型变 得不再那么困难。 1 3 高强度气体放电灯电予镇流器概况 1 3 。1电子镇流器基本原理 上节提到过，气体放电灯具有“负阻特性”，单独接于电压源构成的系统是不稳 定的。镇流器的目的就是，串联一个能补偿灯负伏安特性的正阻抗使系统能稳定工作。 最简单的情况就是灯在直流工作，串联电阻镇流。以具有图1 1 所示伏安特性的电弧 为例，直流工作下串联电阻后的伏安特性如图1 4 所示。其中，a ，b 分别是电弧和电 阻的伏安特性，c 则是两者叠加的结果。不难看出，c 具有正的伏安特性。 图1 - 4放电灯与电阻串联时的伏安特性 在工频情况下，我们可以用电感来代替电阻。图1 3 所示的是典型的工频电感式 镇流器示意图。其中电感提供一个工频阻抗，以稳定灯电流，电容用于补偿无功，提 高输入端的功率因数。 图1 5典型的电感式镇流器 浙e 大掌目# * i 电子镇流器从原理上讲般可分为两种，一种使放电灯工作于高频( 十几k h z 几百k h z ) ，这样与工作在工频下的镇流器相比，可以用小得多的电感量就可以达到 同样的感抗值，从而实现系统稳定工作，如图1 6 中所示的最常见的半桥谐振式高频 电子镇流器；另外一种是通过对灯电流或者灯功率进行控制，使电子镇流器能产生等 效的输出阻抗，从而也能达到很好的镇流效果，示意图如图1 7 所示，常见的h i d 灯 用三级低频方波电子镇流器从原理上讲就属于此类镇流器。 = 图1 - 6半轿谐振式高频电子镇流器 图1 - 7控制式电子镇流器示意图 以上两图都只是示意图，当然实际中的电子镇流器系统要复杂，像图1 7 中的应 该还有一级逆变级以实现交流点灯，而且通常电子镇流器还具有功率因数校正功能， 提高输入端的功率因数，降低对电网的污染。 与传统的电感式镇流器相比，电子镇流器具有以下的显著优点： ( 1 ) 电子镇流器体积小、重量轻、无工频噪声，灯光无闪烁。 ( 2 ) 电子镇流器具有高功率因数。传统的电子镇流器的输入功率因数一般仅为o 5 0 6 ，而采用了功率因数校正措施的电子镇流器很容易达到0 9 以上，甚至接近1 ，有效 地提高电能利用率，减少对电网的污染。 ( 3 ) 电子镇流器可以提高灯的发光效率。研究表明，在输入功率不变的前提下，在 5 0 h z 5 0 k h z 范围内，h i d 灯的光效随着频率的提高而增加。显然，要达到同样的光 输出，采用电子镇流器可以减小输入功率。 “) 设计优良的电子镇流器可以具有良好的恒功率特性。h i d 灯的灯管电压会随着 6 浙 掌硪学* i 灯管的不断老化而逐渐增大，而传统电感镇流器具有恒流特性，这就导致了灯管在使 用寿命期间功率不断增大，加速了灯管老化，而使用电子镇流器驱动则不会如此，有 效地延长了灯管寿命。另外，输入电压在较大范围内波动时，电感镇流器驱动的灯功 率会有很大波动，而使用电子镇流器就不会，可以获得稳定的光输出。 ( 5 ) 电子镇流器容易实现调光功能。在很多应用场合，调光是一一个很重要的功能。 这也是本文的研究重点，会在以后的章节详细介绍。 ( 6 ) 电子镇流器可以实现智能化控制，具有完善的保护功能，能较好地解决h i d 灯 的热启动问题。 当然，电子镇流器也有缺点，主要是成本较高、可靠性相对较差。 1 3 4高强度气体放电灯电子镇流器发展动态 目前国内外h i d 灯电子镇流器的研究主要集中在以下几个方面： 1 h i d 灯的声谐振抑制技术：h i d 灯与荧光灯主要的不同之一就是h i d 灯在高 频工作时所固有的声谐振问题。从2 0 世纪8 0 年代以来，电子镇流器设计者们针对h i d 灯声谐振问题提出了各种各样的解决方案，诸如方波点灯法1 1 , 坛1 1 4 7 1 、频率调制洲删】矧、 超高频点灯法1 4 1 1 1 4 2 1 等等。我们将在第四章第一节对这一问题进行介绍。 2 h i d 灯电气特性的建模：h i d 灯与荧光灯的另一个不同就在于由于放电管内 放电气体气压的不同而引起的外部电特性的不同。镇流器设计者们逐渐开始在荧光灯 模型的基础上对h i d 的电特性模型进行研究，并提出了一些优秀的模型。有关这个问 题我们将在第三章详细讨论。 3 电子镇流器的调光功能：因为h i d 灯的使用场合往往是舞台或者路灯，在这 些场合调光是一个很重要的功能。不同的调光方案有不同的效果。我们将在第四章中 就调光进行详细研究。 4 单级电子镇流器：在小功率的应用场合，近几年的一个研究热点是单级电子 镇流器。因为功率因数校正级的增加，也增加了电路的成本，为了降低成本，提出了 一些单级电子镇流器拓扑，主要有两大类：充电泵式电子镇流器1 7 0 1 7 1 1 和组合式单级电 子镇流器l 嘲i 彻，前者用电容代替电感以实现功率因数校正，降低了成本，同时减小了 电路体积；后者是将功率因数校正级的开关管与逆变级共用，这样可以节省一个开关 管及其控制电路，当然这种方案往往以恶化功率因数、开关应力等其他指标为代价。 单级的思路其实质上是电路成本与电路性能的折衷。 可以看到，随着研究的深入，电子镇流器的成本在不断地降低，可靠性在不断地 提高，已经成为了电感式镇流器的有力竞争对手。可以预见在不久的将来，电子镇流 器必将逐渐取代传统的电感式镇流器。 1 4 本课题意义及主要工作 7 调光在气体放电灯的很多应用场合是个很重要的功能。人们已经对荧光灯的调 光工作做了大量的研究，并已有一些产品。相对而言，高强度气体放电灯的调光研究 起步比较晚。在荧光灯电子镇流器调光技术的基础上对高强度气体放电灯进行调光研 究已经成为当务之急。 本课题针对上述现象，对高强度气体放电灯电子镇流器的调光技术进行了较为广 泛的研究，包括调光设计所需的高强度气体放电灯模型的研究，调光方法的研究及调 光型电子镇流器的研制等。本文在第二章前半部分回顾了现有的荧光灯各种电特性模 型，分析了他们的优缺点，并在此基础上提出了一种新的基于物理意义的荧光灯统一 模型，并用实验结果进行了验证；第二章的后半部分介绍了高强度气体放电灯建模的 概况，并在实验的基础上建立调光设计所需的高压钠灯p s p i c e 模型。第四章首先分析 比较了各种调光方法，然后详细介绍了我们研制的6 0 0 w 高压钠灯调光型电子镇流器 的调光原理、设计及实验结果分析，在第四章的最后我们提出了一种新型的基于t 型 滤波器的调光方法并用实验验证了其可行性。 8 第二章气体放电灯的基本原理 为了正确理解气体放电灯的电压一电流的非线性特性，必须对气体放电的物理过 程有个全面的了解。本章从气体放电的微观理论出发，分析了气体放电的物理过程和 气体放电的全伏安特性，重点介绍了两种典型的气体放电灯荧光灯和高压钠灯的放电 正柱理论及两者问的区别，为气体放电灯电气特性的建模作了理论准备。 2 1 气体放电基础| 3 1 1 4 1 通过第一章我们已经对气体放电灯有了一定的了解，但是在这里仍然有必要从原 理上对气体放电灯下个定义。 在通常的情况下，气体是良好的绝缘体，不能传导电流。但是在一定的条件下， 如强电场、光辐射、离子轰击和高温加热下，气体分子可能发生电离并产生可自由移 动的带电粒子，在电场作用下形成电流，这种电流通过气体的现象称为气体放电。 在电离气体中，存在着各种中性粒子和带电粒子，它们之间发生着复杂的相互作 用，带电粒子不断从电场中取得能量，并通过各种作用把能量传递给其他粒子，这些 得到能量的粒子可能被激发，形成激发态粒子，当这些激发态粒子自发返回基态时， 就会产生电磁辐射，释放出光子；此外，电离气体中正负带电粒子的复合、带电粒子 在电场中的减速等，也都会产生辐射。因此气体放电总是伴随着辐射现象，如果辐射 的光子波长在可见光范围( 或者是通过某种物质比如荧光粉将不可见波长范围的光转 变为可见光) ，就可以被我们看见，这也就是我们常说的气体放电发光现象。利用这 一原理制造而成的光源称为气体放电光源，或称气体放电灯。 2 1 1电子发射和电极 在气体放电灯工作时，灯内存在大量电子、正离子等带电粒子，这些粒子在电场 作用下形成电流。这个放电电流主要是电子的电流( 由于正离子质量大，速度慢，对 电流的贡献可以忽略) ，要维持放电电流，阴极必须源源不断地提供电子。通常把阴 极提供电子的过程称之为电子发射。阴极发出的电子到达阳极的过程中，一由于各种复 杂的相互作用，还会产生新的电子和正离子，关于这一点在下一段再讨论。 阴极的表面有很多自由电子，但这些自由电子通常并不能逸出表面跑到周围媒质 即灯内的气体中去。要从阴极逸出，电子必须取得一定的能量。这个能量以e v ( 电子 伏特) 为单位表示。对一给定材料的阴极，在绝对零度时，如果电子逸出所需的最小 能量是妒e v ，那么p 就称为该阴极的功函数或逸出功。 可以有很多方法使电子获得足够的能量从阴极逸出。主要的方式有加热、正离子 轰击和施加强电场等。相应的阴极发射便称为热电子发射、正离子轰击发射和场致发 射等。 热电子发射： 所有电子的速度并不是相同的，而是有一个速度分布的。而只有那些足够快的电 子向着表面运动时，才有可能从阴极逸出。当阴极被加热时，其中电子的平均速度增 加。随着阴极温度的升高，有越来越多的电子得到足够的速度从阴极中逸出，使发射 增加。 功函数为p 的阴极在绝对温度r 时的发射电流密度j ( a ，c m 2 ) 用下式表示： 歹= a o t 2 e x p ( 一寺( 2 - 1 ) 这个公式是电子物理学中著名的李查逊一德许曼公式。式中，b 为波尔兹曼常数，常 数一d 可由下式给出： 4 = 学( 2 - 2 ) 式中，e 为电子电量，坍。为电子质量，h 为普朗克常数。算得a o = 1 2 0 ( a c m - 2 k 。2 ) 。实 际上，由于杂质和表面的缺陷，对大部分金属来说，爿口的值大约只有6 0 ( a c m - 2 k - 2 ) 。 分析式( 2 - 1 ) 可知，功函数妒和温度r 对发射电流密度_ ，的影响很大。作为一个理 想的气体放电灯中的热电子发射阴极( 简称热阴极) ，就必须具有低的功函数、高熔 点和低的蒸发率，另外，还要易于加工。从这些要求来看，钨是一种基本的热电子发 射材料。 为了使阴极能产生足够的发射，必须将它加热到一定的工作温度。有时要靠外部 电源来加热，这q 做独立加热式阴极，在电子管中便是采用这种阴极。用在气体放电 灯中的绝大部分热阴极并不是从外部加热，而是依靠放电自身来加热的，称为自热式 阴极。 热电子发射是弧光放电阴极最主要的一种电子发射形式。荧光灯、高压汞灯、氙 灯、钠灯和金属卤化物灯的电极发射都主要取这种形式。 正离子轰击发射： 正离子轰击发射也是一种主要的电子发射形式。 正离子在阴极前面被这一区域的空间电场加速，然后飞落在阴极上，当这个正离 子的总能量一动能与电离能之和大于功函数的两倍时，有一个电子可能从阴极逸出， 另有一个电子被正离子吸收。这种电子发射方式就叫正离子轰击发射。 对这种发射，阴极完全不需要加热，我们说这种情况是冷阴极发射。辉光放电的 浙4 掌掌论i 阴极主要取这种发射形式。与热电子发射相比，这种冷阴极发射的电流密度非常低。 作为正离子轰击发射阴极材料不要求很高的熔点，但必须能耐受j e 离子的轰击，否则 在工作过程中电极材料要大量溅射，不仅造成灯管的发黑，而且缩短电极的寿命。通 常选用铝、镍、铁、铜等作为冷阴极材料。 从上面讨沦可知，为了产生这种发射，在阴极的前面必须有高的电位降，以使到 达阴极的正离子的速度足够高。这个电位降称为阴极位降。在辉光放电的阴极前面有 约1 0 0 伏特的阴极位降区，而对热阴极发射的弧光放电来讲，阴极位降仅约为1 0 伏特 左右。 场致发射： 在外界电场足够强的时候，阴极即使在绝对零度时也能产生电子发射。这种形式 的电子发射称为场致发射。在气体放电灯工作时，尽管灯管上的电压并不高，但如果 在电极附近很小的范围内形成很强的空间电荷层，那么就可能在这一区域造成极强的 电场，引起场致发射。 电子轰击发射： 如果轰击电极的电子具有足够的能量，它就可能从电极中打出电子。这种电子发 射称为电子轰击发射。这种发射对直流灯来说没什么意义，因为需要的是阴极发射电 子，而直流时却只有阳极才能接受到具有足够能量的电子。在交流灯中，这种电子发 射能起作用。对某些低气压高频放电，这种发射则变得更为重要。 除了以上几种电子发射形式以外，还有一些其他形式，如中性原子轰击发射、光 电发射等。由于它们在气体放电灯中应用不多，这里就不再叙述了。 2 1 2碰撞、激发和电离 从阴极发射出的电子到达阳极之前，在放电空间内与放电气体发生复杂的相互作 用，主要是碰撞、激发和电离。 碰撞： 在气体放电灯两电极之间的空间中存在着气体，因此电子在向阳极运动的过程中， 要不断地和气体原子相碰撞，灯内气体浓度愈高，电子与气体原子碰撞的机会就愈大。 电子和原子的碰撞可分为弹性碰撞和非弹性碰撞两种。所谓弹性碰撞就是碰撞前 后有关粒子的动能虽重新分配，但动能的总和不变。至于非弹性碰撞则在碰撞之后， 有关粒子的内能发生了变化，因而动能的和也就有变化。气体原子与带电粒子相互作 用而电离或激发的过程都是属于非弹性碰撞。 弹性碰撞遵守能量守恒和动量守恒定律，根据这两个定律可计算出运动的质量为 m 。的电子与静止的质量为m 的原子碰撞时，电子平均的能量损失为： 五：2坠竺=f 2 3 1 【。+ 朋) 2 由于电子质量比原子质量轻得多，因此每一次弹性碰撞中电子损失的能量是很小 的。然而，当电子和气体原子发生碰撞时，每一次碰撞都要使电子改变方向，这样， 电子在从阴极向阳极运动的过程中要走曲折的路线。这个路线要比两电极间的直线距 离长几百倍。也就是说，电子经受的碰撞数目是很大的。在相应于l e v 的速度下，在 气压为1 3 3 p a 的气体中，电子每秒钟碰撞1 0 9 次。因此尽管电子和气体原子之间每次 弹性碰撞的能量转移很小，但由于碰撞数目极大，每秒钟电子转移给原子的总能量就 不能忽视了。能量转移的结果，使气体原子的平均速度逐渐增加，这也就以为着气体 温度的升高。当气体热损耗的能量等于通过碰撞取得的能量时，气体的温度不再升高， 达到平衡。电子与气体原子碰撞损失的能量随气压升高而增加，随气体原予的原子量 减小而增加。 原子的激发和电离： 当处于基态的原子和动能小于激发电能点k 电子碰撞时，只能产生弹性碰撞。如果 电子的能量大于巍，原子就有可能被激发到m 态。而碰撞后的电子则继续运动，不过 它的能量在碰撞后减少了e k 。这些电子在重新在电场的加速下获得能量，再与其他的 气体原子发生碰撞。电子碰撞造成原子激发的过程可以用下列形式表示： e + a _ 4 + p ( 2 4 ) 其中，a 代表基态原子，4 代表受激原子，黑体字p 表示快速电子，e 表示慢速电子。 原子可能被激发，也可能不被激发，也就是说原子的激发过程有一定的几率。激发几 率定义为实现指定能级的激发次数与电子动能大于此能级时的碰撞次数之比。激发几 率与电子动能、原予类别及能级有关。 当电子动能大于电离能时，它就可能使与之碰撞的原子电离成正离子和电子。这 一过程可用下式表示： p + 爿_ a + + e + 8 ( 2 - 5 1 其中，a + 表示由原子a 电离而得的正离子。与原予的激发一样，电离的发生也是几率 性的，电离几率也和电子的动能有关。最大电离几率发生在电子能量为电离能的5 1 0 倍时。与激发几率相比，电离几率的数值比较大。 以上讨论了由于电子碰撞而造成的原子的激发和电离。显然，在这类过程中，体 系的内能发生了变化。具体来说，就是由于电子动能的减少使体系的内能增加。这种 非弹性碰撞称之为第一类非弹性碰撞。然而在平衡的条件下，任何过程都有逆过程。 式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) 的逆过程，我们称为第二类非弹性碰撞。在这类过程中，电子的动能 增加，而体系的内能减少。 此外，激发态原子还会发生逐次激发和逐次电离。逐次激发和逐次电离的过程可 分别由式( 2 6 ) 和式( 2 - 7 ) 表示： p + 爿_ 4 + e e + a + _ a + + e + e ( 2 - 6 ) f 2 - 7 1 其中，4 ”表示处于更高能态的受激原子。对一般激发态来说，寿命很短，约为1 0 一s ， 因此发生逐次激发和逐次电离的几率极小。而对亚稳态( 所谓亚稳态就是指处在此能 态上的受激原子不能自发地跃迁到基态或任何一个较低的能态的这样一些能态) 来说， 由于有相当长的寿命，可长达1 0 一s ，发生逐次激发和逐次电离的机会就比较大。 以上只讨论了电子碰撞造成的原子激发和电离过程，事实上还有其他的原因也能 引起激发和电离。比如说与正离子的碰撞、光照等等，由于它们在气体放电灯中作用 不大，故不予讨论。除了这些之外，还有热激发和热电离，它在高温下( 比如在高气 压放电灯中) 有很大贡献。关于这一点，会在本章第三节在进行叙述。 2 1 3带电粒子在气体中的运动 带电粒子产生以后，就在放电空间中不停地运动，并通过运动而消失。由于带电 粒子的运动，才产生了放电电流以及其他一系列放电现象。带电粒子具有三种基本运 动形式：无固定方向的热运动，在电极间电场作用下沿着电场方向的有向运动，以及 由于浓度差造成的带电粒子的扩散运动。 带电粒子在气体中的热运动： 当弱电离气体不受外加电磁场作用时，可暂不考虑带电粒子的电性，而近似地将 带电粒子看成是混入气体中的杂质粒子。这时，所有的粒子都一起作杂乱无章的热运 动。在平衡状态下，带电粒子和中性粒子一样，速度分布服从麦克斯韦分布律： f ( v ) d v “舻呸南) 3 ”c x p ( 一嘉) d v ( 2 _ 8 ) 式中，a v ) 称为分布函数，y ( v ) c l v 表示粒子速度在v 一计d v 之间的几率。 可以像处理气体粒子热运动那样，用温度来表征它的平均动能。在这里，我们把 电离气体当成是中性气体粒子、电子和离子的特殊混合物。当任何一种带电粒子的温 度都等于气体粒子的温度时，可用下式表示： 1 = 2 】 = 2 1 = 2 3 i 埘。v s = i 埘，v ，= i 卅。v n = i 后8 丁 ( 2 - 9 ) 式中，m 表示粒子的质量，i 表示均方根速度，脚标e 表示电子，“f ”表示离子 “n ”表示中性粒子。7 1 为平衡态的绝对温度，对各种粒子的值相同。 带电粒子在气体中的迁移运动： 在电场的作用下，有一个沿电场方向的定向运动叠加到带电粒子的不规则热运动 上。这个方向性的运动口q 做带电粒子的迁移( 或漂移) 运动。迁移速度d 与电场强度e 成正比： o = , u er 2 - l o ) 对离子和电子，比例常数u 分别记为f r 和雎，它们分别称为离子和电子的迁移率( 或 漂移率) ，单位为e m 2 ( s v ) 。 离子的迁移率可用下式表示： 一，= 竺( 2 1 1 ) 一，2 一 u l l j ，h v l 式中，五，为离子的平均自由程，也就是离子在两次碰撞之间平均走过的路程；m ，为离 子质量：；。为热运动的平均速度。此式称为郎之万公式。它表明，离子的迁移率与平 均自由程成正比，即与气压成反比；与离子质量和热运动速度成反比；而与电场的大 小无关。 电子的迁移率的表式为： 圹( 争；( 黟； ( 2 - 1 2 ) 式中，户2 m 。表示电子在每次碰撞时传递给气体中性粒子的平均能量分数，也为电 子的平均自由程。注意，与胁不同，电子迁移率肌与电场强度e 的大小有关。 带电粒子在气体中的扩散运动： 由于带电粒子在气体中不是均匀分布，对气体放电灯来说主要是指径向的带电粒 子的分布不是均匀的，于是由浓度大处向浓度小处运动的带电粒子数比反方向运动的 数目大。这样形成的带电粒子的方向性运动就叫做带电粒子的扩散。 假定只有径向，的浓度梯度为d n d r ，则每秒钟经过垂直于，方向的单位面积扩散 的电子数和离子数分别为： a n 。：一o d e 心：一d o 粤 ( 2 1 3 ) u ， a n ，= ；m 珥= 一口粤 ( 2 1 4 ) 1 4 式中，u 。和”m 分别为电子和离子扩散运动的平均速度， 扩散系数。眈和口可由下式得到： 见= 1 3 y e 。 d = 1 3 v ：a ， z x 和毋分别为电子和离子的 ( 2 - 1 5 ) ( 2 一1 6 ) 由式( 2 11 ) 和式( 2 1 6 ) 可得离子的迁移率和扩散系数之间的关系为： 瓦p _ _ t _ 邺e 2 i 1 酷熹“寿 ( 2 - 这就是著名的爱因斯坦关系式。 带电粒子的双极性扩散： 上面只讨论了电子和离子分别所作的迁移和扩散运动，并没有考虑电子和离子之 间相互作用的影响。下面来考察这一相互作用所产生的效应。 假设在开始时，电子和离子的浓度相等，而且空间分布也相同，即 f i e = n f( 2 - 1 8 ) d n 。d r = d n , d r ( 2 - 1 9 ) 这时，由于存在浓度梯度，电子和离子要向管壁扩散。电子的扩散系数眈比离子的扩 散速度d ，大得多，所以电子比离子扩散得快。这样电子和离子浓度的径向分布便呈现 为：在轴心处出现较多的正电荷，而在管壁处出现较多的负电荷，于是在径向就形成 了一个电场( 它区别于轴向电场) 。该电场作用于电子和离子，使它们又分别产生不 同方向的迁移运动。具体说来，离子的迁移运动是和扩散运动同方向的，而电子的迁 移运动和扩散运动反方向的。可用下式表示： 。：瓦他e ，：一堡粤氆e ( 2 - 2 0 ) t e u ， i ) i ：珏u j e ? ：一生孥氆e ? ( 2 - 2 1 ) ”u 厂 式中，e r 为径向电场强度。由于带电粒子的运动对空间电荷分布的影响较小，因 此作为一级近似可认为初始条件胛f 蜥成立。由于径向电场目对电子的减速和对离子的 加速作用，促使电子和离子的扩散趋向平衡，即d e = o ，。以一新的量代表平衡时的扩 散速度。并以卢，和他分别乘式( 2 2 0 ) 和式( 2 2 1 ) ，然后相加得： 。一：一竺丝垒丝一1 堕：一堡丝垒丝一1 堕( 2 - 2 2 ) * t + “。n 。d rp t + “en 。d r 上式所表示的同时有两种符号的带电粒子的扩散过程，称之为双极性扩散，令 d o ：堡垒! 些壁! u ，+ 卢。 现称为双极性扩散系数。双极性扩散在低气压放电中扮演着十分重要的角色。 ( 2 - 2 3 ) 2 1 4带电粒子的消失 带电粒子的消失过程又称消电离，它是与电离直接相反的过程。讨论消电离的形 式和速率有很重要的意义。因为一种放电形式的建立，不仅与带电粒子的产生形式和 速率有关，而且只有当带电粒子的产生速率等于消失速率时，这种放电状态才稳定下 来，而不再随时间变化。 消电离主要有三种形式。 第一种是电子和离子通过上面所说过的双极性扩散到达放电灯的管壁，然后在那 里复合。这种形式的消电离过程称为管壁复合或表面复合。离子和电子在管壁复合的 速率和电子或离子的密度的一次方成正比；或者更直接地说就是平均每个电子的损失 率是一个和电子密度无关因而和电流无关的常数。用r 。j 表示此常数，可得 粤= 孚= 吨。吃 ( 2 2 4 ) u lu l 在低气压放电中，管壁复合是主要的消电离形式。 第二种是带电粒子在电极上消失。当放电空间的气压很低，而电场又很强时，这 种形式的消电离占主要的地位。 第三种是带电粒子在放电空间的复合。根据能量守恒，在电子和正离子复合时要 放出一定的能量，其值等于电离能和电子动能之和。这个能量，当有第三个物体( 这 个物体也可能时电子) 存在时，可以转交给第三个物体，这就是所谓的三体碰撞：也 可以以辐射的形式释放，这就产生了气体放电的发光机理中另一个很重要的现象一复 合发光。电子和正离子在空间复合的速率为： 孚= 粤= 一也2 i i e 驴一r e 2 k 2 ( 2 2 5 ) u lu l 式中，r 。? 是电子复合系数，是表征复合几率的宏观参量。在高气压放电中，带电粒子 在空间的复合起重要作用。 2 2 气体放电的形成及分类1 3 j 1 4 j 上一节我们讨论了气体放电空间中带电粒子的行为，总的来讲是个热电学的平 1 6 浙大学掌* i 稳过程，那么气体放电又是如何形成的，又有哪些特征? 在这一节我们将从气体放电 的全伏一安特性曲线出发，了解一下气体放电的形成以及气体放电的类型。 2 2 1气体放电的全伏一安特性 图2 1 所示的关系曲线表示了气体放电的形成过程，此一曲线称为气休放电的全 伏一安特性曲线。 v 图2 1气体放电的全伏一安特性曲线 o a 段：由于外致电离，在灯管中存在带电粒子。在电场的作用下，这些带电 粒子向电极运动，形成电流。随着电场的增强，带电粒子的速度增加，复合减少，使 电流增大，这就是o a 段。 a b 段：当电场再增强时，所有外致电离产生的带电粒子全部到达电极，这时 电流就饱和了，形成了a b 段。 b e 段：如果电压再继续升高，则电场将使初始的带电粒子的速度增加到很 大，它们与中性原子碰撞时能使之电离；而中性原子电离产生的电子又被电场加速后 和另外一些中性原子作电离碰撞，形成更多的电子。这样一种繁衍过程使电子数目雪 崩式地增加。因此，往往称b c 段为繁流放电或雪崩放电。在c 点，通过灯管的电流 突然增加到d 点，d 点以后，管压降随即迅速降低，同时在灯管中产生了可见的光辉。 c 点称为气体放电的着火点，相应的电压圪称为灯管的着火电压。在灯管着火时，有 一下条件成立： y ( e 昏n 一1 ) = l( 2 2 6 ) 式中，d 是阴极和阳极之间的距离，口为一个电子在沿着阴极到阳极方向运动单位路程 时与气体原子碰撞所产生的电离次数，y 为一个正离子轰击阴极表面时从阴极逸出的次 级电子数。这也就是说，一个电子自阴极逸出后所产生的各种直接和间接的过程将使 阴极再发射出一个电子。这样，放电当然就能自我维持，不再需要外致电离因素。 f f , g 段：在e f 段内，电流增加，但管压降基本保持不变，称为正常辉光放电阶 段。管压降维持不变是因为在这个范围内，阴极并没有全部用于电子发射，而用于发 射的面积f 比于电流。所以电流的增加只增加阴极的发射面积，而小改变其管压降。 当电流增大到整个阴极面积都用于电子发射时，即到达了f 点。如果继续增大电流， 阴极的电流密度就必须增加，因此造成管压降上升，进入了异常辉光放电阶段。 g h 段：继续增大电流，当阴极温度升高到能产生显著的热电予发射时，阴极 位降又开始减小，阳极位降上升，于是管压降再次大幅度下降，最后达到某一弧光放 电值，产生强烈的弧光。这一阶段称为弧光放电阶段。 在o c 段，放电是非自持的，如果去除外致电离，则电流立即停止。c 点以后的放 电是自持放电。从e 点以后都是稳定的自持放电。非自持放电也称为黑暗放电。从图 2 1 可以看出，黑暗放电电流大约在1 0 4 a 以下，辉光放电电流为1 0 。6 1 0 4 a ，而弧光 放电的电流约在1 0 1 a 以上。 2 2 2辉光放电 一只辉光放电灯的光强和电位的轴向分布见图2 - 2 ，根据发光的明暗程度，从阴极 到阳极的空间可以分为几个区域：( 1 ) 阴极区，( 2 ) 负辉区，( 3 ) 法拉第暗区，( 4 ) 正柱区， ( 5 ) m 极区。 图2 - 2辉光放电时光强、电位的轴向分布 阴极区： 阴极区又是由阿斯登暗区、阴极辉区和克鲁克斯暗区组成。 在阿斯登暗区，电子刚从阴极出来，速度很小，不具备激发原子的能力，所以是 暗区，这是一个极薄的区域。 电子经过阿斯登暗区的加速后有了较大的动能，因而使得气体原子激发发光，形