气体放电灯.ppt

1、4.1 气体放电中粒子间的相互作用,一、电离气体和气体放电的定义 含有电子、离子和中性原子（分子）的气体称电离气体。电离气体在外场的作用下传导电流的现象称之为气体放电。,4-1 气体放电的基本过程,第四章 气体放电灯的基本原理,电离气体按电离程度的分类：,弱电离气体：很少的原子或分子被电离（10-4） 部分电离气体：部分原子或分子被电离 （10-2-10-3） 完全电离气体：几乎所有的原子或分子被电离 弱电离气体是本课的研究对象。其中主要由中性粒子组成。但任何一种放电都包含着大量的粒子和它们间的相互作用。,二、气体放电中粒子间的相互作用：,1、碰撞的定义,碰撞是指这样的相互作用，由于这种相互作

2、用，粒子的量子状态发生了变化。量子状态的变化可以是动能、动量、位能、结构等。,a）弹性碰撞：碰撞后只有动能的变化，无 位能的变化（总动能之和不变） b）非弹性碰撞：碰撞后位能发生了变化（动能部分向位能转移所致，故动能也相应发生了变化）,1) 第一类非弹性碰撞：,粒子的动能 由于碰撞 粒子的位能,例： + A A* + e (电子激发) + A A* + B+ （离子激发） + A A* + B （中性粒子激发） + A+ + e + e（电子电离） + A* A* * + e （逐次激发） + A+ A+ + e （逐次电离）,2) 第二类非弹性碰撞,粒子的位能 由于碰撞 粒子的动能,例 A*

3、 + e A + （去激发或消激发） A* + B A + B+ + （潘宁效应） A+ + e +e A + （三体复合）,3) 辐射碰撞,光子和粒子碰撞的过程 例 A + hv A* （光激发） A + hv A+ + e （光电离） A* + hv A + 2hv (光致发射),4) 其他非弹性碰撞（位能 位能）,A + B* A* + B (激发转移) A + B+ A+ + B （电荷转移）,2、碰撞的能量转移,实际碰撞过程很复杂，现以对心碰撞为例：,m 1V1=m1U1 +m2U2 （动量守恒） m1V12/2=m1U12/2+ m2U22/2+Q (能量守恒),把U1= 代入第2

4、式得： m2（1+m2/m1）U22/2 m2V1U2 +Q =0,a）弹性碰撞：Q=0,此时：U2=2V1m1/(m1+m2) 故入射粒子能量损失的百分比 （即被碰撞粒子得到的动能）： = =4 对心碰撞时 为最大值， 非对心碰撞时 的最小值为0 故 =2 （第二粒子得到的能量是第一粒子的一部分）,讨论：,（1） 若入射粒子为电子，第二粒子为中性粒子 则 故 =2 （2） 若入射粒子与第二粒子都是重粒子，即 故 =1/2 说明：原则上有 =2 ，所以电子与原子发 生碰撞时损失的能量很小， 量级，但电子运动的曲折碰撞使碰撞次数很多，例1ev动能的电子在1torr的气体中每秒可与全体原子碰109

5、次，故总的影响也不可忽略。,b) 非弹性碰撞Q0,由m2（1+m2/m1）U22 /2 m2V1U2 +Q =0 解得： 由于括号内的值0，得： 0 故Q,作非弹性碰撞时： 第一类非弹性碰撞：动能转化为Q 第二类非弹性碰撞：Q转化为动能,讨论：,（1）若入射粒子为电子，第二粒子为原子， 则： 即电子的动能可以全部转化为粒子的位能，使其激发或电离。 （2）若入射粒子与第二粒子都是重粒子，即 则： 最多只有一半能量的交换 即离子的动能需达到中性粒子的激发能或电离能的2倍以上时才能引起激发或电离，几率很小，而电子引起的激发和电离是主要过程。,三、气体的激发和电离,1、电子与中性原子的碰撞致激发和电离

6、 + A A* + e + A A+ + e + e 具体由激发函数和电离函数（与碰撞截面有关）描述。,2、重粒子与原子碰撞致激发和电离,+ A A* + B + A A+ + B + e + A A* + B+ + A A+ + B+ + e 此类碰撞由相互作用时间较长和能量转移关系可知为非主要过程。,3、光致激发和光致电离,hv + A A* hv + A A+ + e hv + A* A* hv + A* A+ +e hv + A+ A+ + e,光致激发和光致电离条件： hv eVex = hc/eVx hv eVi = hc/eVi 1.24103/eVex（eVi）（nm）,例1：

7、eVi(Cs) = 3.87eV 320 nm 紫外照射产生带电粒子 例2：宇宙射线 射线是（1/201/10）c的高速正粒子 射线是具有2c/3 速度的高速电子 射线是=10-110-5 nm高速光子（Kr85） X射线： 的高速光子,4、热激发和热电离,高温粒子之间通过碰撞使动能转换为位能 例：火焰上加盐燃烧时发光黄绿色（激发），且具有导电性（电离）。 a）由玻尔兹曼方程描述激发态粒子数 nex = n0exp（-Eex/kT） b）由萨哈方程描述电离态粒子数 Pa2/1-a2 = 1.33T5/2exp（-eVi/kT） a= ni/n = ne/n称电离度，P为气体的压力,四、气体的激

8、发转移,1、激发转移 a）激发原子和电子间的激发转移 A* + e A +,b）激发原子和基态原子间的激发转移,A* + B A + B+ + e 潘宁效应 条件：Vi（B） Vex（A）， A*是亚稳态,Ar-Hg： Ar*（3P2）11.5eV + Hg Hg+ （10.4eV）+ e + Ar Ne-Ar： Ne*（3P2）16.53eV + Ar Ar+（15.76eV）+ e + Ne 其中Ar-Hg中的Hg和Ne-Ar中的Ar被称为杂质气体 混合气体中其杂量x： 0.02% x10% 杂质含量太多电子与杂质原子产生激发碰撞不利亚稳态的形成 杂质含量太少则产生激发转移的机率太小。,2

9、、辐射的猝灭（杂质的影响）,hv1 + A A* A* + B A + B* B* hv2 + B 例：Hg + hv(253.7) Hg*(63P1) Hg*(63P1) Hg + hv(253.7) 多次转移最后辐射出253.7的波长，称辐射的禁锢效应。有杂质时： Hg + hv（253.7） Hg*（63P1） Hg*（63P1）+ B Hg + B* B* B + hv（253.7）称辐射的猝灭,例：荧光敏化 （253.7的辐射常用荧光粉接收后的荧光来观察） hv（253.7）+ Hg Hg*（63P1） Hg*（63P1） Hg*（63P0） 此能级分别为4.8eV和4.7eV，当H

10、g*（63P1）态存在时，必有Hg（63P0）态存在，称碰撞耦合。 Hg*（63Po）+ Tl Hg（61s0）+ Tl*（72S1/2） Tl*（72S1/2） Tl + hv（535）,五、带电粒子的复合,1、电子-正离子的复合 a）辐射复合,e + A+ A + hv（慢电子被正离子俘获的过程） e + A+ A* + hv1（A* A + hv2）,e + A+ A + hv（慢电子被正离子俘获的过程） e + A+ A* + hv1（A* A + hv2） meve2/2 + eVi = eVex + hv hv = meve2/2 + e（ViVex）（基态下Vex=0） Ve =

11、 0 连续光谱辐射 连续光谱特性： hvmin（Ve = 0）= e（ViVex） 波长上限： max = hc/e（ViVex） 长波限强（Ve = 0的电子容易捕获）,b）分解复合 e + （AB）+ + （电子动能变为分子的离介能） e + （AB）+ A* + B* c）三体复合 A+ + B + = A* + （是电子复合的主要过程，特别在高气压放电条件下容易发生。） 2、正离子负离子的复合 x+ + y- xy + hv（复合辐射） x+ + y- x + y （电荷交换） x+ + y- + z xy + z（三体复合） （气体放电器件中不希望有负离子的存在，此过程对发光贡献小！

12、负离子的存在使放电困难。）,六、负离子的形成e + B B-,1、负离子对放电特性的影响 负离子的存在使导电率大大下降，与正离子的复合使ne下降且不产生电离碰撞过程（用于高压开关器触点的保护）。 2、负电性气体 定义：容易形成负离子的气体叫做负电性气体。 卤素易形成负离子，惰性气体不易形成负离子。 氧（外层6个电子）也易形成负离子，但只形成一价负粒子，因吸附第二个电子时，负离子本身有排斥性。,3、负离子形成的方式,a) 中性原子俘获电子 辐射吸附,b) 三体碰撞，A吸附形成负离子，电子多余能量转为B的动能。,c) 分子分解吸附，形成的激发态负离子不稳定分解。,d) 分子碰撞后产生离子对,e)

13、重离子间的电荷转移,*气体放电的细微平衡原理 Klein和Rosseland根据热力学平衡原理，得到：热力学平衡体系中，某种过程发生的次数等于其反过程发生的次数！ 激发 消激发 电离 消电离,七、汤生放电和气体的击穿,1、汤生放电理论（1903） 实验装置和结果见图：,说明：V很小时，i很小从0开始达到饱和值i0（T0区）。V增加，i缓慢增加（T1区）， V增加足够大，i指数增加（T2区）。 当V=Vs时，电流增大迅速，出现负阻特性，把Vs称为击穿电压，放电成为自持放电（无外界电离源放电继续）， T1 、T2区的放电称为汤生放电，用 三个电离系数来描述。,a）非自持放电T0区,剩余电离（射线、

14、宇宙线）产生的少量带电粒子在电场下迁移运动所致！ ，此时V小、e小、激发几率小、辐射低、又称暗放电。V小时，一部分剩余电离粒子不能达到电极，故I随V上升，剩余电离取消，放电停止！称非自持放电。 应用： （1）盖勒（Geige-Miller）计数管：测量放射性物质和强度 （2）充气光电管（光照阴极发出光电子）,b）非自持放电T1区 汤生第一电离系数的定义:,每个电子在电场方向经过单位路程时产生的电离碰撞次数。 与气体性质（Vi）、压强和E有关。,因为dx范围内产生的电子数为： dne = nedx 所以ne = ne0eax ie（x）=ioead 或ne（d）=neoead 指数式增长，称为雪

15、崩。 当ne0 （剩余电离源产生）= 0时， ne = 0，即 非自持。,c）自持放电T2区（有三种理论）,汤生第二电离系数的定义： 正离子在电场方向经过单位路程所产生的电子离子对数目。 或： 若= 0，则 ne = ne0ead ，即T1区情况。 若= 0，a= 0，则 ne = ne0，即T0区情况。 若ne0 = 0，但分母项0，则ne0，即自持放电。 该理论的缺陷： 实际过程很弱= 正离子产生电离需103ev能量级。 正离子打到阴极上有电子发射，发射电子数与阴极材料性质有关。,（1）正离子碰撞引起电离（早期理论）,（2）正离子轰击阴极表面产生二次电子发射,汤生第三电离系数i的定义： 每

16、个正离子打到阴极上轰击出的电子数。 可有：ne（d）= ne0ead/1 - i（ead 1） 即：i=ie=i0 ead/1 - i（ead 1） 若i = 0，则ne = ne0ead，T1区情况。 若i = 0、 = 0，则ne = ne0，T0区情况。 若ne0 =0，则：i（ead 1）= 1，即自持放电击穿条件。,（3）受激原子产生的光子照射阴极表面产生光电子发射 （结果类同（2），多了光电子发射的产生系数等，略）,2、气体的击穿帕邢定律,i（ed 1）= 1，且ed 1 = ed = 1/i d=ln（1/i） 可知： = Ape-Bp/E（E = Vs/d）=Ape-B（Pd）

17、/Vs ln（1/i）= A(Pd)e-Bpd/Vs ln（ln（1/i）/A（Pd） = -B（Pd）/Vs Vs = B（Pd）/lnA（Pd）/ln（1/i） 式中：A、B为气体种类有关常数（电离电位小、A、B小）； ri与电极材料有关的常数。 即Vs与Pd乘积有关，称为帕邢定律 。,击穿= 放电自持，使击穿条件满足的最小电压称Vs。 =f（E）=f（Vs） 与E、P和气体种类有关。,可见： 对Vi小的气体，其A、B小，Vs也小 对有大的ri值的电极，其Vs也小 由 得：,3、影响击穿电压的其它因素：,杂质气体的影响（潘宁效应） 负电性气体使Vs上升 电极表面的状态（毛刺）使局部电场畸变

18、，此处易击穿。 电极表面吸附杂质（油污、氧化层），使Vs上升 电场分布不同使Vs改变（同轴线分带，使Vs下降。） 外界电离源的存在使Vs下降 总原因：使带电粒子产生的因素存在使Vs下降 使带电粒子损失的因素存在使Vs上升。,八、气体放电的分类,1、伏安特性曲线,1、OA段：外致电离的带电粒子在E作用下向电极运动形成电流，随着E的增加，I也同时增加。（若电离源加强，则曲线向右移动） 2、AB段：E ，所有外致电离的电荷都到达电极，电流饱和（I10-14 A量级）,平板铜电极 d=50cm =2cm PNa=133pa,3、BD段：E 。电子雪崩产生。在C点使I指数式上升，电流增大108倍，而电压

19、基本不变。放电从非自持向自持过渡。C点称击穿电压Vs。（BD段称汤生放电） I增大，V不变的理由： V阴与J成正比 I 由较小变大时，I阴=I，仅需少量阴极表面上发射电子即可，即V阴不变。因I小，故V等也基本不变，导致V不变。,4、DG段：若V ，则I 。此时阴极通过增加发射面积使I阴增大，故V阴不变，但I已足够大，V等，故V （G点表示所有阴极表面已用于发射V阴值下的I值）。 DG段即电晕放电， EF段即亚辉光放电， FG段即辉光放电。 5、GH段：I再 ，需增加J值，故V阴， V阴 V等，故V ，即反常辉光放电。 6、HI段： I 足够大，电极温度达到热电子发射温度： J = V阴 = V

20、等 = V 弧光放电,2、气体放电的分类：,（a）按气体放电形式分： 汤生放电 电晕放电 辉光放电 弧光放电 火花放电 低频交流放电 脉冲放电 高频与微波放电 （2）按放电参量随时间变化分： 稳态放电（直流下） 非稳态放电（交流、脉冲、高频微波）,（3）按阴极工作状态分： 冷阴极放电 热阴极放电 （4）按自持非自持分： 非自持放电 自持放电 （5）按气压高低分： 低气压放电 高气压放电 超高气压放电 还有惰性气体放电、金属蒸汽放电等。,自持放电条件,(e -1)=1,d,V,A,d,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,K,A,4.2 气体放电的辐射,一. 辐射的形成方式,1. 激发态粒子

21、回到低能级态(基态)时的自发 (受激)辐射线光谱E=h,2. 正负带电粒子的复合辐射 连续谱,3. 带电粒子的减速产生的轫致辐射,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,二. 线光谱,hnm =En -Em =eVnm =hc/nm,nm=1239/Vnm,VV nmnm,E0,Em,En,E,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,hmn,hn0,1. 不同元素的能级不同，其辐射的波长不同 选择性强,2. 共振辐射的效率(特别是第一共振态)最高,3. 能级之间的跃迁服从选择定则,4. 线光谱辐射的功率密度Pnm,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,定义 Pnm =nn Anm hn

22、m,Anm 从nm跃迁几率,LTE下 nn由Boltzmann分布描述,nn =n0,gn,g0,exp(- ),En,KT,Pnm=n0,gn,g0,Anm hnmexp(- ),KT,En,Pnm：压力p(n0)，温度 T，能级性质(En,Anm),光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,5. 可见辐射的E范围,E En-Em,E1239,380780,E1.7ev(780nm)3.2ev(380nm),光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,三. 分子的带状光谱,EEeEvEr,EEeEvEr,=,E,h,EeEvEr,h,=,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,以E e为主,

23、分辨率不高时，为带状光谱,分辨率高时，有很多条谱线,大部分光谱在可见区及紫外区Ra,气体放电灯矛盾：光效和显色性,热辐射光源矛盾：光效和寿命,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,四. 连续光谱,e +AA+E,a) h =E =Ei-Em+,1,2,meve,2,Ve=0为连续谱,E,Ei,Em,1,2,meve,2,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,1. 复合辐射（f-b跃迁）,因为慢电子浓度高(maxwell)而且更容易与 正电子复合,当v=0时,0 =,Ei-Em,h,为频率下限,c) 辐射总功率,PcrZ ne Te,4,2,-3/2,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸

24、定昌,b) 连续谱的特征,E,Em,En,h,h0,f-b,f-f,meve2 - meve2,meve2,1 2,1 2,1 2,2. 轫致辐射(f-f跃迁),e+A+A+e+E,a) h =,1,2,me(Ve -Ve ),b) 可证 Pcb Z ne Te,2,2,2,2,-1/2,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,3.连续光谱产生的特点,a)高气压大电流密度放电下，有强的连续光谱,b)放电蒸汽元素的Z越大，连续光谱越强，且 以复合辐射为主,c)高温下，连续光谱以轫致辐射为主高,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,五. 气体放电光源辐射的特点,1. 工作温度不受灯丝材料性质

25、的限制,2. 辐射光谱可选择,3. 寿命大大高于热辐射光源，光维持性好,4. 基本矛盾 -Ra 光谱放宽,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,一.光谱线的轮廓,光强度在一定波长区内 都有分布的现象，称光谱线 的放宽。其分布的形状就称 为谱线的轮廓。,Ic,Imax,0,h,I,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,Prof.,总强度 It=Id,4.3 光谱线的轮廓和放宽,1.产生放宽的机理,a)辐射原子自身原因：自然宽度，多普勒效应,b)外界原因：压力放宽,2.光谱线轮廓的类型,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,a)定义,Prof.=,I,I t,I,Id,I=It*Pro

26、f. ,Id=ItProf.d=ItProf.d=It,Prof.d=1 “归一化”性质,=,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,以频率表示,Prof.=,c,2,Prof.,以表示,Prof.=,1,2,Prof.,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,b)色散型(洛仑兹力)轮廓,Prof.=,2,1,(- 0) + ( ),2,c)高斯型轮廓,Prof.=( ) exp- ,4Ln2,4Ln2(- 0),2,2,2,2,2,2,1,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,二.谱线的自然宽度,tt+dt,dnn=- Anm nn dt,Nn (t) =nn0e,-Anmt,=nn

27、oe,-t/n,nm为跃迁的时间常数，是Anm的倒数,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,初始条件：t=0 n|t=0 =nn0,海森伯(Heisenberg)测不准原理,Enm=h/2=h,1.定义：激发态原子寿命的不确定性引起能量的 不确定性，由此造成的谱线放宽称自然宽度。,2.轮廓类型色散型,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,三.谱线的多普勒放宽,1.定义：多普勒放宽,静止：,运动：, 0 =,c,0, =,c+vx,0,=,c,0,+,vx,0,= 0 + 0,vx,c, - 0, 0,=,vx,c,=, 0,2.轮廓类型 Gausstype,光源原理与设计气体放电的基本

28、原理,诸定昌,观察者,V,Vx,四.谱线的压力放宽,1.定义：受激原子受其它粒子的碰撞作用，使 辐射状态受干扰而产生的谱线放宽称压力放 宽。,a)共振放宽：同种原子对激发态原子的干扰,b)范德瓦尔斯放宽：不同种类原子对激发态原 子的干扰,c)斯塔克放宽：带电粒子对激发态原子的干扰,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,2.轮廓的类型 色散型,a)Lorentz理论：干扰下停止辐射,b)Lentz-Weisskof理论：干扰时辐射的 频率发生变化,c)Lindholm理论：干扰时相位产生位移,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,Reference:,1.W.Newman: Spectr

29、osopic Methods of Plasma Diagnostics,2.统计物理学导论,3.原子光谱学和激发光谱学,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,一. 光谱的发射系数和吸收系数,1. 跃迁过程的分类,自发辐射跃迁 跃迁几率 Anm,吸收跃迁 吸收跃迁几率 BmnB(),感应辐射跃迁 感应跃迁几率 BnmB(),光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,n,m,自 发 辐 射,吸 收,感 应 辐 射,4.4 辐射转移,平衡下：,Anmnn+BnmB()nn = BmnB()nm,1,LTE下：,nn,nm,=,gn,gm,exp(- ),KT,hnm,联立解有：,B() =,A

30、nm,Bnm,1,gmBmn,gnBnm,e,h,KT,-1,2,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,由planck公式：,B() =,8h,c,3,3,e,KT,-1,h,1,所以,8h,c,3,3,Bnm,Anm =,gmBmn =gnBnm,3,2光谱的发射系数,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,定义：, =,dtdVdd,d E,4, = +,s,i,4,自发辐射,感应辐射,有：, =,s,4,1,nn Anm hProf.,5,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,由5和6得：,对应：, =,i,4,1,nn BnmB() hProf.,c,1,nn Bnm LB

31、hProf.,=,6,其中：,LB =,4,c,B(),s,i,=,c,2,2h,3,LB,7,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,平衡下：,4,1,nn Anm hProf.,c,1,nn Bnm LB hProf.,+,c,1,nm Bmn LB hProf.,=,8,光谱的吸收系数：,K= -,dL,Ldx,dL=L-L,定义：,其中,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,x,x+dx,L,L,物理意义：,L(x) =L(0)e,-Kx,由基尔霍夫定律：,LB =,K,=,2 h,c,2,3,e,KT,-1,h,1,9,平衡下：, = += K LB,s,i,对应8式：,K,c

32、,1,nn Bmn hProf.,=,10,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,0 x x0,L(0),L(x),对某一谱线：,L =line d=,s,4,1,nn Anm h,c,1,nn Bnm LB h,L =line d=,s,i,i,KL =line K d=,c,1,nm Bmn h,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,若把看作负吸收，有总的吸收系数K,i, += K LB平衡下：,s,i,K LB=s,所以：,K LB K LB ,i,c,1,nm Bmn LB hProf.,=,c,1,nn Bnm LB hProf.,-,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,=,c,1,nmBmn LB hProf.(1- ),nmBmn,nnBnm,=,K LB(1-e ),KT,h,-,11,nn,nm,=,gn,gm,exp(- ),KT,h,gmBmn