第4章改 气体放电原理

1、第四章第四章 气体放电灯的基本原理气体放电灯的基本原理第四章第四章 气体放电灯的基本原理气体放电灯的基本原理n4-4 气体放电灯的稳定工作n4-1 气体放电的基础知识n4-3 谱线的放宽n4-2 气体放电的辐射4-1 4-1 气体放电的基础知识气体放电的基础知识电子发射和电极电子发射和电极电子发射: 阴极提供电子的过程电子发射的方法：一、热电子发射二、正离子轰击发射三、场致发射四、电子轰击发射阴极的逸出功（功函数）： 对一定的阴极，在绝对零度时，电子逸出所需的最小能量 ev， 就成阴极的逸出功。热电子发射热电子发射n概念：对阴极加热，电子的运动速度增加，使电子的热运动的动能超过逸出功时，它就可

2、以飞到阴极体外，这种现象就叫热电子发射。n 表现： 1） 同样温度，功函数低的材料发出的电子多。因此，阴极经常使用逸出功低的材料。 例如，钍钨比钨好；碱土金属氧化物（BaO, SrO)。 2）绝大多数材料在室温时热电子发射很低，到1000K时发射显著。所以要足够发射，阴极必须加热到一定温度。按加热方式分自热阴极和独立式阴极。 n总结：1）热阴极材料应具有低的逸出功，高熔点，低蒸发速率； 2）热电子发射是弧光放电阴极最主要的一种发射形式。4-14-1正离子轰击发射正离子轰击发射n概念：正离子在空间电场中加速，然后撞到阴极上，把能量传给阴极中的自由电子，使自由电子获得速度，飞出阴极，形成电子发射，

3、这就是正离子轰击发射。n现象:这种发射，阴极不需加热，当然，由于正离子轰击，阴极温度有所升高，但这一温升对发射无大作用。正离子轰击发射也叫冷阴极发射。 辉光放电的阴极主要是这种形式，它工作在高电压，小电流；n总结：辉光放电的阴极材料不需高熔点，但要耐正离子轰击，且为增加面积作成圆筒状。材料：Al, Ni, Fe, Cu, 有时涂碱土金属氧化物。4-14-1场致发射场致发射n概念：阴极在外强电场的作用下，金属表面势垒变形，功函数降低，部分自由电子“透过”势垒而脱离金属表面，这种现象叫场致发射。n应用：FED display（场致发射显示）4-14-1n概念：如果轰击电极的高速电子具有足够的能量，

4、它就可以从电极中打出二次电子， 这种发射称电子轰击发射n对直流灯无意义， 对交流灯，特别是低气压高频放电，则很重要! 阳极发热问题！碰撞、激发和电离碰撞、激发和电离原子的结构原子的结构碰撞碰撞碰撞产生激发和电离的过程碰撞产生激发和电离的过程1. 原子模型原子尺寸大小约原子尺寸大小约10-8 cm; 中间为原子核，尺寸约中间为原子核，尺寸约10-13 cm，质量集中在核上，带正电，质量集中在核上，带正电;核周围是电子，围核在一定轨道上运动，核周围是电子，围核在一定轨道上运动，me=9.1*10-28 g， Qe=1.59*10-19C，带负电；，带负电；正电荷正电荷=负电荷；负电荷；原子不带电；

5、原子不带电；元素不同，原子结构不同。元素不同，原子结构不同。2. 原子能级原子能级能级：能级：每一条横线；每一条横线；基态：基态：最低的能级最低的能级OG;激发态：激发态：基态上面的能级基态上面的能级 m, n都是激发态，都是激发态， 由价电子处于那一轨道决定由价电子处于那一轨道决定电离态：电离态： 电子完全脱离原子电子完全脱离原子 基态原子需要的最小能量是基态原子需要的最小能量是eVi, Vi-电离电位电离电位 电子脱离原子的速度：电子脱离原子的速度： 1/2mev2=eVi n分类： 弹性碰撞： 碰撞前后有关粒子的动能重新分配，总动能不变。 非弹性碰撞：碰撞前后有关粒子的内能发生变化，动能

6、和也 变化。第一类非弹性碰撞：由于e碰撞造成原子激发或电离。 电子动能 ，体系内能 激发：e + A A* + e + E 电离：e + A A+ + e + e + E 第二类非弹性碰撞：被激发的原子和e 碰撞，前者内 能交给 e而去激发。体系内能 原子处于亚稳 态易发生。 A* + e e + A - E 亚稳态： 是这样一些能量状态，处在这些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。亚稳态有相当长的寿命（10-2 s)意义：1.亚稳态的存在使逐次激发和逐次电离机会大大增加； e + A* A* + e + E e + A* A+ + e + e + E2.产生潘宁效应，有

7、利于灯的启动。 A* + B A + B+ + e + E ( if V A* V B+)三、碰撞产生激发和电离的过程三、碰撞产生激发和电离的过程n激发过程: 电子从阴极发射出来，受外电场加速，动能增加。当基态原子和动能为1/2 mv2 的e相碰， 当1/2 mv2 evr时，原子就可以吸收evr后跃迁到激发态。碰撞后电子能量 减少evr ，这些电子在外电场作用下重新获得能量，再与其它原子碰撞。 激发：e + A A* + e + E n电离过程： 1/2 mv2 evi时， 电离电离：e + A A+ + e + e + E 激发和电离的作用激发和电离的作用激发的作用：发光！激发的作用：发光

8、！ 原子处于激发态不稳定，能自发地迁到原子处于激发态不稳定，能自发地迁到 较低的激发态或基态，释放一较低的激发态或基态，释放一定量的光子，这就是发光。定量的光子，这就是发光。 发光频率与二能态之差发光频率与二能态之差E的关系：的关系： E = EA - EOG = ev = h = hC/所以，所以， ev = hC/， 即即 = 1239/ v nm由此可知：由此可知：知道电子在原子能级图中能级变化状况，就可以计算出它的辐射谱知道电子在原子能级图中能级变化状况，就可以计算出它的辐射谱线的波长；线的波长；从激发态向基态从激发态向基态 跃迁所产生的辐射叫做共振辐射，由此辐射的谱线跃迁所产生的辐射

9、叫做共振辐射，由此辐射的谱线叫共振线，叫共振线，eg. Hg v=4.88, 6.7 = 253.7, 185.0；原子一般处在激发态的时间很短（原子一般处在激发态的时间很短（10-8s），便返回基态，放出辐射。），便返回基态，放出辐射。但有些原子在一些激发态停留较长时间，并不辐射，这些状态但有些原子在一些激发态停留较长时间，并不辐射，这些状态叫。叫。电离的作用：1. 如果无电离，灯内充满负电荷，不存在正离子轰击发射了。2. 部分电子扩散到管壁而损失掉，需气体的电离来补充。3. 自持放电离不开电离！ 4.1 气体放电的基础知识气体放电的基础知识n4.1.3 带电粒子在气体中的运动带电粒子在气体

10、中的运动一、热运动一、热运动: if no 电场电场 or 磁场作用，带电粒子只作无规则热运动磁场作用，带电粒子只作无规则热运动 二、迁移运动：二、迁移运动： if 电场存在，带电粒子受到电场的作用，它的运动可电场存在，带电粒子受到电场的作用，它的运动可以看作是在热运动的基础上叠加一个沿电场方向的运动，这个方向的运动叫以看作是在热运动的基础上叠加一个沿电场方向的运动，这个方向的运动叫迁移。迁移。 迁移的速度是电场强度的函数迁移的速度是电场强度的函数 V = f (E) 正是由于迁移的存在，才使气体导电现象得以形成。正是由于迁移的存在，才使气体导电现象得以形成。三、扩散运动：三、扩散运动：if

11、带电粒子在气体中的分布是不均匀的，则带电粒子带电粒子在气体中的分布是不均匀的，则带电粒子浓度大处就会向带电粒子浓度小处形成定向运动，如此形成的定向运动，就浓度大处就会向带电粒子浓度小处形成定向运动，如此形成的定向运动，就叫扩散。叫扩散。“双极双极”扩散率扩散率n等离子体中有电子和离子。电子轻且杂乱热运动使其速度快，因此预测电子向管壁扩散比正离子快，所以等离子体中正离子过剩。n由于正离子吸引电子，所以减慢电子扩散速率；另正离子产生一径向电场，加速正离子向管壁扩散。n所以，总的效应使电子扩散慢下来，而正离子的扩散快起来，直到二者以相同的速率扩散为止，这个扩散率就是。一、气体放电的全伏安特性二、巴邢

12、定律和潘宁效应三、辉光放电四、弧光放电五、高频放电气体放电的形成和分类一、气体放电的全伏安特性一、气体放电的全伏安特性实验装置：把一对平板电容器放在密封容器中，并抽成低真空（俗称放电管），加一电压在两极板上，发现二电极间有电流通过。电流的数值随电压的变化而变化，方向从正极到负极，测出不同电压下的电流，得到如图曲线。结果: 1）OA：自然带电粒子2) AB：饱和3) BC：繁流 C：着火点4) DE：灯管导通5) EF：正常辉光放电6) FG：异常辉光放电7) GH：弧光放电总结：OC是非自持放电; CD开始满足自持条件，不稳定自持放电; DE过度区域; 从E点开始是稳定的自持放电； EF为辉光

13、放电；H点后进入弧光放电。自持放电电流增长机理：电子繁流or电子雪崩 设d(平均自由程：分子连续二次碰撞之间的距离称为自由程；其平均值称为平均自由程） 电离：e + A A+ + e + e + E 电子繁流（雪崩）：电子从阴极出来，向阳极运动，经一系列电离产生新的电子。继续运动，继续电离，使电子数目增长。这些电子形成向阳极运动的 “电子繁流”或称谓“电子雪崩”。电流的迅速增加，是由于形成了电子繁流。自持放电条件： ( ed 1) = 1 二、巴邢定律和潘宁效应二、巴邢定律和潘宁效应(启动）启动）1.影响气体放电击穿的因素：电极形状；电极材料表面情况；不同气体种类；阴极材料；气体压力和极间距2

14、.巴邢定律 1889年，巴邢发现，其它条件不变，击穿电压主要受气体压力P和极间距 d影响，更确切是受它们乘积Pd 影响，Vs=f (Pd)巴邢曲线巴邢曲线解释： Pd过小 Pd过大 Pd最佳值适用范围：物理意义：对任一气体放电管，如保持其他条件不变，仅改变气压和极间距，总能找到一个Pd值，对应这一值气体放电存在一个最低的击穿电压。n现象：混合气体的击穿电压比单独每一种气体的击穿电压低。n物理内容： A* + B A + B+ + e + E ( if V A* V B+)n举例：Ar*(Vm=11.53v) + Hg (Vi=10.4v) Ar + Hg+ + eNe*(Vm=16.62v)

15、+ Ar (Vi=15.8v) Ne + Ar+ + e四、弧光放电四、弧光放电形成（二种方式）：辉光过渡；电极分离弧光放电与辉光放电区别：电流大，阴极位降小(低电压，大电流）高压时阴阳极及气体温度高低或高气压均可产生弧光放电组成：阴极位降区，正柱区，阳极位降区等温等离子体等温等离子体光谱特性光谱特性低气压：线光谱低气压：线光谱高气压：谱线放宽高气压：谱线放宽分类分类管壁稳定型：高压汞灯，高压钠灯管壁稳定型：高压汞灯，高压钠灯对流稳定型：碳弧，短弧氙灯（氙比汞轻，放电对流强）对流稳定型：碳弧，短弧氙灯（氙比汞轻，放电对流强）电极稳定型：球形超高压汞灯电极稳定型：球形超高压汞灯n4.2.1 原子

16、和分子的量子态n原子的量子态 n2S+1 L J （主量子、角量子、磁量子、自旋量子） n分子的量子态 E=Ee+Ev+Er （原子能级、分子振动能级、分子转动能级）4.2 气体放电的辐射气体放电的辐射n4.2.2 原子发光和分子发光原子的线光谱 E= ev = hC/， 即 = 1239/ v nm共振辐射分子的带状光谱连续光谱4.3 谱线的放宽谱线的放宽n谱线的自然宽度n谱线的多普勒放宽n谱线的压力放宽4.4 辐射转移辐射转移n辐射禁锢 ：一个光子从光源发出之前，要经过多次反复的发射-吸收-再发射的过程，这种物理现象成为辐射禁锢。 辐射禁锢会引起共振辐射的减弱4.5 气体放电灯的稳定工作气

17、体放电灯的稳定工作1. 不稳定原因：不稳定原因： a-电弧的电弧的V-A特性曲线；特性曲线；I增加，过剩电压增加，过剩电压V1-V2， I继续增加继续增加;I减少，不足电压减少，不足电压V3-V1， I继续减少继续减少;不稳定。电流无限增不稳定。电流无限增加或熄弧，直至烧加或熄弧，直至烧毁。毁。2.如何克服？如何克服？ 串联电阻，交流情串联电阻，交流情况下，用电感，电况下，用电感，电容代替电阻。容代替电阻。-镇流器或限流器镇流器或限流器电阻镇流电阻镇流V0-电源开路电压；a, b-灯及电阻的V-A特性；Vl-灯管电压；IR-电阻电压（用V0D向下画的线段表示）。平衡时，V0 = Vl + IR

18、A,B二点满足。分析A点：if I 增加IA V0 = Vl + IR + V 可见多出V， I继续增加，更远离A点 A不是稳定工作点。分析B点：if I 增加IB V0 = Vl (VBG) + IR (VDC) VBC 可见电压不足， I将下降，回到B点。 B是稳定工作点。第二种分析方法：第二种分析方法：在交点在交点A,B处作曲线处作曲线a切线切线,则则A,B点灯的内阻点灯的内阻Ri为为 :(dV/dI)A = -tg1(dV/dI)B = -tg2回路总阻抗：回路总阻抗：dV/dI + R = Ri + R由于由于1 2即即 tg1 tg tg2- tg1+ tg=RiA+R0 即即 A点总阻抗为负，点总阻抗为负， B点总阻点总阻抗为正。抗为正。 B是稳定工作点。是稳定工作点。4.5 气体放电灯的稳定工作电感镇流电感镇流Vn2 = Vl2 + VL2优点：优点：比电阻减少功率损失比电阻减少功率损失使灯更稳定工作使灯更稳定工作成本低成本低缺点：缺点：噪声大噪声大 能耗高能耗高4.5 气体放电灯的稳定工作气体放电灯的稳定工作4.5.4 电容镇流优点：1）自身功耗低，效率几乎100%；2）温度不会升高，不用冷却；3）无叫声，体积小，轻。缺点：低频时有瞬间尖峰电流，灯闪，缩短灯