Уэймаус д., Газоразрядные источники света (988969), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Это приблизительное равенство температур электронов и атомов достигается при давлении приблизительно 1О' Па 1! атм). Довольно неожиданно, что при увеличении давления газа на два порядка потери электронного газа на упругие соударения не увеличиваются, как гого можно было бы ожидать. Потери энергии электронным газом при упругих соударениях пропорциональны разнице между температурой электронов и температурой атомов. Энергия переносится к электронам с малой энергией при соударениях с атомами, обладающими большой энергией.
Когда температуры электронов и атомов равны, энергия, переносимая от атомов к электронам, равна энергии, переносимой от электронов к атомам, так что перенос равен нулю. Поскольку разница температур получается малой, ',1«146 приближаю~дайся к нулю, поэтому и упругие потери энергии электронным газом также получаются малыми. Кинетическая температура ртутных атомов резко меняется по сечению трубки, будучи наиболее высокой в центре и наименьшей вблизи стенок, так как нагрев происходит в центре, а охлаждение осуществляется за счет теплопередачи к стенкам.
Если бы электронная температура оставалась на всем пути до стенки такой же, как и на оси, то потери электронов при упругих соударениях приводили бы к невероятно большому расходу энергии вблизи стенок, поэтому электронная температура тоже падает по направлению стенок так, что разница температур между электронами и ртутными атомами остается приблизительно постоянной по всему поперечному сечению.
В результате профиль электронной температуры в функции радиуса следует температурному профилю ртутных атомов. Потери энергии электронным газом при упругих соударениях с ртутными атомами точно равны потерям тепла за счет теплопроводности ртутного пара к стенкам. Вследствие большой массы ртутных атомов теплопроводность ртутного пара относительно мала, поэтому потери энергии, вызванные «потерями за счет теплопроводпости» 1как мы ее будем называть вместо потерь прн упругих соударениях, поскольку основной процесс тот же), поразительно малы, Эленбаас в 1Л. 6 — 11 дает значение этих потерь, около 10 Вт1см длины дуги, независимо от диаметра трубки, давления паров ртути и силы тока. Это, до некоторой степени неожиданное, наблюдение является результатом трех различных факторов.
Прежде всего теплопроводносгь большинства газов в основном не зависит от давления. Во-вторых, осевая температура дуги не меняется более чем на 107а во всей области изменения токов и давлений, используемых в типичных ртутных лампах высокого давления. Эти два факта вместе приводят к приблизительной независимости теплопроводности от давления и тока. Третий факт — независимость от диаметра †требу более глубокого исследования. Тепловые потери к стенкам на единицу длины дуги можно выразить как Р„„„.= — й (~1Т/Ь)„2«Р, где й — коэффициент теплопроволности; (г1т1дг) я — радиальный градиент температуры у стенки трубки; 2яй— 10' 147 длина окружности. Радиальный профиль температуры может быть аппроксимирован параболой Т = (?', — 7;) [1 — (г/)ь)'! + Т„ (6-1) геТ— д а — осевая температура; Ть — температура стенки.
Отсюда ( л ) = ~ 1! ' ~ = ' 1з (6 2) Чистые тепловые потери равны: Р 2!Та — Те) Р„„= — /г(-- ' ' ) 2и/г=4мй(Г,— Т,) (6.3) и, как видно, пе зависят от радиуса. Конечно, 10 Вт/см длины дуги было бы большой потерей энергии для люминесцентных ламп; большинство этих ламп работает при общей потребляемой мощно- ности меньше 1 Вт/см. Однако для ртутной лампы высокого давления такие потери энергии относительно невелики, поскольку эти лампы работают обычно при удельной мо1цности 40 — 50 Вт/см. В результате тепловые потери составляют 257с или меньше подводимой мо1цностп, приблизительно столько же, сколько и поте~ри при упругих соударениях в люмипесцептных лампах. гпе Имеется только один путь, которым плазма дуги может удалить разнипу между 40--50 Вт/см подводи~мой мошпости и ыл зе !О Вт/см, удаляемыми за счет потерь на теплопроводность — это излучеь нис.
Следовательно, типичная ртутная дуга выского давления превраол гео шает около 75е/е подвоудсльлол злсллзриксслол моог- димой мощности. Б мосле, Ег/с и сти. олее интересно, что эффективность этого преобразования растет с ростом подводи мой мощности. Как показывает рис. 6-1, поте- Рис. 6-1.
Удельная мощность излучении в завнсимоста от удельной электрической мощности дла ртутной лампы высокого давленни. 148 рн мопгности на излучение в зависимости от подводимой электрической мощности представляют собой приблизительно прямую линию, пересекающую ось абсцисс при 1О Вт/см так, что эффективность преобразования электрической энергии в излучение растет от нуля при 10 Вт,1см до 100% при бесконечном значении подводимой мощности. Спектр излучения также достаточно отличается от такового в ртутных разрядах низкого давления. Рисунок 6-2 иллюстрирует для сравнения распределение энергии в спектре двух типов ламп.
При низком давлении, как было подчеркнуто, линия ртути 253,7 нм наиболее интенсивна. В ртутной лампе высокого давления УФ резонансные линии относительно слабы, в то время как другие линии значительно интенсивнее, Характер спектра высокого давления может быть лучше понят, если учесть, что условия, обсуждаемые в гл. 2 о близости к локальному термодинамическому равновесию, хорошо выполня~отся в ртутных дугах высокого давления.
Большая подводимая мощность па единицу длины дуги требует значительного тока — несколько ампер; высокое давление паров ртути приводит к малой подвижности электронов и их большой плотности для того, чтобы обеспечить заданный ток. Высокая плотность электронов означает, что число возбуждающих соударений и соударений второго рода для всех состояний ртутного атома очень велико и намного больше числа спонтанных излучающих переходов. Таким образом, заселенность каждого состояния приблизительно соответствует равновесному при равенстве между возбуждающими и тушащими соударсниями с электронамн.
Как показано в гл. 2, это требует, чтобы концентрация возбужденных атомов в каждом состоянии определялась чравненпем ч.:О 1ЕГ иа —.— и, (да/д,) е (6-4) где Т вЂ” локальная электро1шая температура; ис — концентрация атомов в основном состоянии; е(/а — энергия возбужденного состояния по отношению к основному. Поскольку температуры электронов и атомов газа повсюду отличаются друг от друга на несколько градусов, составляя при этом много тысяч, обычно принято не учитывать эту разницу и говорить просто о температуре.
149 Выход излучения каждой спектральной линии определяется тогда концентрацией атомов на верхнем уровне, соответствующем данной спектральной линии, умноженной на фактическую вероятность выхода излучения и на энергию фотона. ~та вероятность может быть выражена как величина, обратная <эффективной продолжительности жизни» т, которая будет использована в нашей сии стеме обозначений. Поэтому мощность, излучаемая е иицей объема при переходах между А-и и /-м состоянием д атома: — ие1нг — Ьун (6-5) хн/ где (ул — энергия возбужденного состояния, с которого начинается переход; твц — эффективная фактическая продолжительность жизни; Ьмп; — энергия фотона.
Здесь должна быть использована эффективная продолжительность жизни с учетом пленения излучения. В дугах высокого давления концентрации атомов достаточно высоки, так что все спектральные линии до некоторой степени пленены, даже те, которые образуются в результате переходов па нижние возбужденные состояния, а не на основное. Концентрации атомов в каждом возбужденном состоянии достаточно велики, чтобы в определенной степени поглощать (и соответственно переизлучать) фотоны, возникающие при переходах, заканчивающихся па этих состояниях. Конечно, чем выше энергия состояния, тем меньше концентрация атомов в этом состоянии в соответствии с (6-4). Поэтому время пленения различных спектральных линий в общем уменьшается по мере того, как энергия нижнего состояния пары переходов увеличивается. В результате линии 253,7 и 185,6 нм, оканчивающиеся на основном состоянии, реабсорбируются значительно сильнее, чем длинноволновые ультрафиолетовые и видимые линии Поэтому соответствующее значение т, используемое для этих линий в (6-5), очень велико, что объясняет их слабую интенсивность в спектре излучения.
Баланс энергии излучения между другими состояниями определяется как результат уменьшения концентрации атомов в верхнем состоянии с ростом энергии, т. е. уменьшением числа атомов, способных излучать, 100 и уменьшением концентрации в нижнем состояний с ростом энергии, а следовательно, уменьшением числа атомов способных поглощать. В общем, когда подводимая мощность, увеличивается, температура дуги возрастает и интенсивность линий, излучаемых с уровня 7з5, увеличивается больше, чем линий, излучаемых с уровней ба (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
