气体放电学原理

1、气体放电学原理1. 碰撞，激发与电离1) 碰撞碰撞分为弹性碰撞与非弹性碰撞，弹性碰撞只改变电子及分子的运动方向，非弹性碰撞则引起原子的激发与电离。2) 潘宁效应: Penning Effect若A，B分别为不同种类的原子，而且，原子A的激发电位大于原子B的电离电位，当受激原子A与基态原子B碰撞后，使基态原子B电离，受激原子A的能级降低或变为基态原子A，这种过程称为潘宁碰撞或潘宁效应。 例如: Ne的亚稳态激发电位是16。53V，大于Ar的电离电位15。69V。3) 电离前的管内电流电压变化原理 (瞬间变化)当电压逐渐增加时，电流逐渐增加；电压增加到一定程度时，开始有原子被激发，电子能量被转移，

2、此时电流反而减小；当电压继续增加时，电子能量继续增加，电流再次增大。4) 激发与电离规则有效碰撞面积越大，激发与电离的几率越大电子的运动速度越大，激发与电离的几率越大；但电子速度到一定程度时，来不及与原子发生能量转移，激发与电离的几率反而减小。 当电子速度非常大时，激发与电离的几率再次增加。5) 特殊形式的激发与电离a光致激发与光致电离热激发与热电离: 在辉光放电中，原子热运动很小，热电离和热激发作用极其微弱，可以忽略；但在高压气体和超高压气体中的弧光放电，热电离和热激发过程就必须考虑。 温度越高，激发和电离越多。b放射性射线引起的激发和电离a射线引起的电离: 相当于高速正离子和气体的第一类非

3、弹性碰撞，电离能力很大。b射线引起的电离: 相当于高速电子和气体的第一类非弹性碰撞，电离能力较弱。g射线引起的电离: 相当于能量很大的光引起的光致电离，穿透力极强，对气体电离作用十分显著。6) 带电粒子的消失带电粒子的消失有两种: a. 带电粒子的复合 ；b.带电粒子在外电场作用下跑上电极而消失。带电粒子的复合有空间复合与管壁复合：空间复合: 正负粒子在放电空间相互作用而形成中性粒子，包括电子复合及离子复合。管壁复合: 放电熄灭后，管内电极电位与管壁相同，电子与正离子会从放电空间跑上管壁及电极表面，并且复合，这一过程称为管壁复合。7) 汤生电子繁流(电子雪崩)理论电子从阴极跑向阳极的路程中，不

4、断与气体原子发生碰撞电离，新产生的电子也向阳极运动产生更多的电子，电子越来越多，电子流迅速增长的过程叫做电子繁流或电子雪崩。a: 汤生第一电离系数，代表电子对气体的空间电离。b: 正离子的空间电离系数，代表离子对空间气体的电离。g: 正离子的表面电离系数，汤生第二电离系数。 代表正离子轰击阴极表面，使阴极逸出二次电子。 8) 巴邢(Paschen)定律在其它条件不变时，击穿电压(着火电压)Ub不是单独地与压强P或极间距d有关，而是与Pd的乘积有关。 随着Pd由小到大，Ub先下降而后上升，存在一个最小值Umin。A，B是取决于气体种类的常数，C可以看作常数。除了Pd以外，影响击穿电压(着火电压)

5、的其它因数有： a .气体的种类和成分当基本气体加入少量的杂质气体，即使含量很少，也将明显的改变击穿电压(着火电压)。当杂质气体电离电位小于基本气体的亚稳态激发电位，由于潘宁效应，将使击穿电压降低。例如氢氮混合气体，当基本气体氮掺入不同含量的杂质气体氢时，可使混合气体的击穿电压有不同程度的降低。气体比例不同击穿电压也不同。在惰性气体中混入双原子分子杂质气体，往往会使击穿电压升高。 因为双原子分子吸收碰撞能量转换为能级能量或分解，而没有发生电离。b.电极材料和表面状况电极材料主要通过g系数影响击穿电压。若阴极逸出功低，则g较大，相应的击穿电压也较低。 阴极表面状况对击穿电压也有影响。气体放电管的

6、老化过程就是为了清洁电极表面和纯化工作气体，使击穿电压由极不稳定变为比较稳定。c.电极分布的影响电极的形状应该有利于强电场的形成，以便快速形成击穿电流运动轨迹，制造雪崩放电。d.外界电离源9) 罗果夫斯基理论在电子繁流(电子雪崩)过程中，电子向阳极运动，越靠近阳极新产生的电子和正离子越多。 电子速度快，很快跑上阳极消失，而正离子移向阴极的速度很慢，这样在阳极前面就形成正空间电荷，改变电极间的电位分布，相当于阳极往阴极方向移动。从而电场增强，电离系数a，b和g也增加了。10) 气体放电种类稳态放电: 辉光放电，弧光放电，电晕放电非稳态放电: 低频交流放电，火花放电，高频放电和脉冲放电2 气体放电

7、过程1) 气体放电的过程OAB: 无声非自持放电，没有电子碰撞电离发生BC: 非自持暗放电，部分电子获得足够的能量引起电子碰撞电离，放电电流明显增大，发光很微弱。CD: 由非自持放电过渡到自持放电，C点称为击穿电压(着火电压)。EF: 辉光放电，是一种稳定的小电流自持放电(10-4 10-1A)。FG: 反常辉光放电，管压很高，阴极发生强烈的溅射。HI In: 弧光放电，放电电流猛增，是一种稳定的大电流自持放电，电流在10-1A以上，发出比辉光放电强烈得多的光辉。2) 气体放电的维持条件管内条件: 气体成分，气体压力(密度)，电极形状和位置，电极材料与表面状况，电流密度等。管外条件: 电源极限

8、功率，限流电阻R，外致电离源等。如图中所示，R1>R2，根据负载线可以看出，R1只有一个交点产生不稳定的暗放电，R2则能有机会产生稳定的弧光放电。3. 辉光放电1)正常辉光放电辉光放电是一种高电压低电流的自持放电，阳极发射电子主要靠正离子轰击阴极表面的g过程。放电时管内出现明暗相间的辉光。辉光放电时的管压降比击穿电压(着火电压)低得多。正柱区: 电子和离子浓度很大，而且相等，称为等离子区。由于带电粒子浓度很大，导电能力很强，因此就像导体一样在气体放电中起着传导电流的作用。负辉区最亮。对于维持放电来说，最重要的是阴极区。从阴极发射出来的电子，仅在阴极区引起电子繁流(电子雪崩)，电子增长在阴

9、极暗区最强。2)反常辉光放电当阴极发射电子面积占满了整个阴极后，若再要增加电流，就必须增加电流密度，而要增加电流密度又必须增加阴极位降。我们把阴极位降随电流密度而增加得辉光放电叫反常辉光放电。在反常辉光放电中，电流密度越大，阴极位降越高，阴极位降区的功率损耗越大，在阴极表面产生严重的溅射现象。阴极溅射的一些规律:· 轰击的正离子质量越大，溅射越厉害· 被溅射的颗粒沿直线向各处飞散· 电流密度越大，溅射越厉害· 阴极位降越大，溅射越厉害· 气压越高，阴极溅射越小· 阴极材料不同，溅射不一样4. 弧光放电1)弧光放电弧光放电包括热阴极放电

10、和冷阴极放电。热阴极: 单独被加热的阴极或被反常辉光放电加热到高温的由难熔材料做成的自持热阴极，阴极上产生强烈的热电子发射，由辉光放电到弧光放电可能是逐渐的过渡曲线。冷阴极: 对于铜，铁等自持冷阴极，易蒸发，导热性能好，阴极温度不可能很高，其电子发射一般是场致发射。弧光放电空间可以分为: 阴极区，阳极区和作为电流导通的等离子区。2)弧光放电的阴极现象在反常辉光放电中，高速正离子轰击阴极，阴极温度陡然升高产生强烈电子发射。这时的阴极发射逐渐地集中到阴极的小部分区域，该处逸出功最小，温度最高，叫做阴极斑点。 对于阴极来说，阴极斑点一般是不变的。3)弧光放电的正柱区现象正柱区是等离子区域，在该区域内

11、电子数和正离子数是相等的。对于HID来说，由于电子与高密度气体的频繁碰撞，使气体温度升得很高，并且分布不均匀。管轴气体500010000K，管壁气体一般小于1000K，径向温度梯度达到几千度/毫米。 管轴带电粒子向管壁扩散，由于管壁冷区气体密度大，迁移率小，向管壁扩散的带电粒子对电流的贡献可以忽略。从而有大量的带电粒子在管壁附近复合，因此，在正光柱周围高密度气体代替管壁起到限制正柱区的作用。正光柱有一个最佳半径: 如果正光柱很粗，电流密度小，气体温度低，电离度小，导电率小，要维持电流就需要加大电场;如果正光柱很细，气体温度高，电离度大，导电率大，但截面积小而不能维持足够的电流，也必须加大电场。

12、5. 技术名词1) 光通量: 流明lm单位时间dt内通过单位面积ds的光能量F。 F = Q / dsdt。2) 光强度光源在给定方向的单位立体角W中发射的光通量。I = F / W。3) 光出度光源单位面积上向半个空间内发出的光通量。M = F / S。4) 光照度投射在被照物体单位面积上的光通量。E = F / S。5) 光亮度光源在某一给定方向上的单位投影面上、在单位立体角中发射的光通量。L( j，q ) = F (j，q ) / S × cosq × W。6) 光效: 流明/瓦lm/w。光源所发出的光通量F和该光源所消耗的电功率P之比。 h= F / P。7) 显色

13、指数: 百分比%。光源照射在物体上时，使被照物体的颜色再显现出来的能力8) 色温: 度K黑体发光是连续光谱，光谱分布仅仅由温度决定，就是说知道黑体的温度就等于知道了它的辐射光谱分布。 这种与光谱分布或颜色相关的黑体温度称为色温。9) 相关色温: 度 K气体放电光源的光谱能量分布不是连续光谱，因此不能称色温。光源所发出的光谱与黑体在某一温度下发射的光谱最接近，我们称黑体的这一温度为该光源的相关色温。 详细解释见下表。色温色相低于3300 K暖白色 (淡黄白色)3300 - 5000 K中间白色超过5000 K冷白色 (淡蓝白色) 1) 金卤灯的最小电压随着灯的点燃启动，灯电压从电源电压（220V

14、）很快下跌到12-20V左右，这是冷态灯的启动特性。在汞-氩混合气中发生弧光放电的管压降，称为最低电压。对于确定的电极结构，该电压对放电管内氢气十分敏感，因为氩原子的亚稳态激发电位为11。53V，电离电位为15。8V，均高于氢的亚稳电位和电离电位（分别为11。1V和13。54V），加以H2与电子的有效碰撞截面较大，因此H2将大量吸收电子能量产生激发与电离，而氢离子会很快扩散迁移和复合，导致电子能量大量消耗并减少了正例子对空间负电荷的补偿作用，所以当氩气中混有氢气时，会引起电弧收缩，管压降上升等现象。所以根据最低电压的高低并对照再启动电压锋可以直接判断管内含氢量，这是判断灯的内在质量的一个重要指

15、标。有关氢的来源和氢在金卤灯内的危害性，已有较多论述，这里从略。当电弧产生以后，管内温度升高，汞迅速蒸发，气压逐步上升，管压降相应增大。灯电流也随之缓慢下降，而灯功率则相应上升，最后稳定在正常工作状态。由图可见，整个的过渡过程大约为2-3分钟。 金卤灯启动后灯电压、灯电流、灯功率随时间的变化2) 金卤灯的再启动电压金卤灯是工作在50周的交流状态，每个周期中灯电流有两次过零和相应的再启动的过程。在过渡过程中，随着管内气压的上升，带电粒子自由程的减小，再启动电压和灯电压降均相应上升，这时电极发射电子的能力与管内的杂质气体的含量及性质均会影响到再启动电压及灯压降的大小，所以在过渡过程中再启动电压峰也

16、是反映灯管内在质量的一个重要参数。图2为某正常的100瓦灯管从点燃到稳定过程中管压降波形随时间的变化，图中（a）、（b）、（c）、（d）分别对应上图中电压曲线上的a、b、c、d四点，仪器还记录了相应的再启动电压峰及启动以后的最低电压。我们注意到50W金卤灯的曲线也完全类似。(a)(b)?(d)金卤灯在过渡过程中管压降波形随时间的变化当实时电压在最低电压附近时（a图与b图），管内气体密度尚未有明显上升，电子自由程度较大，易于积累能量，加以空间仅为Ar与Hg组成的潘宁气体，易于电离，而且灯电流很大，在电源电压过零点时管内剩余电荷浓度较大，因而很容易再启动，管压降在整个半周中，没有明显的变化，与方波

17、类似。随着管内气压的上升，管压降升高和再启动电压相应提高，并在再启动的最初的两毫秒左右，管压降逐渐呈现一个明显的隆起（c图与d图），这说明再启动的最初阶段电极间电离不够，正电荷浓度较低不足以补偿阴极发射电子的负空间电荷作用，必须有较高的电压才能保证放电发展。随着放电的发展，管内电荷浓度和灯电流上升到正常值，管压降也随之趋于正常。当电源电压处于下降段向负半周过渡时，我们发现，如果电极有足够的电子发射，每半周的放电可以维持到电源电压非常接近于零，电压过零时，电流变化的速度就不足以引起镇流电感产生突变的感生电势，所以管压降的前后沿与外加电源电压的变化趋势是基本一致的（图2d）。6. 生产工艺空气焙烧(Air Baking)l 去处洗不掉的表面残留的有机物l 彻底去除吸收的水份l 去除操作过程中沾染的表面脏迹真空焙烧(vacuum Baking)l 去除表面洗不掉的污染物l 蒸发掉残留的水汽7. 产品性能各种灯泡性能对比表:光源种类光效（Lm/W）显色指数Ra色温（K）平均寿命（小时）白炽