Уэймаус д., Газоразрядные источники света (988969), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Ое!И1ег) открыл, что разряд в газе при нвзком давлении даст валу~азизе со спектром, характерным для дэннога газа, одновременно им был найден способ пронавадства ясона и заложены основы науки спектроскопии Прп нрзвильном подборе газов Гсйслер смог получать гает почти воск цветов Первое применение этого принципа было осуществлено на выставке многоцветных огней, примененных для подсветки бриллиантов аа юбилее королевы Вякторня. Вызывает ироаию, что эта выставка в чест~ монарха, имя которого свваано с большим консерватизмам, была первым прообразом неоновых джунглей, которые сейчас наводняют улицы и шоссейные дороги большинства городов мира.
Спустя столетие П. Кчпер-Хюгпт (Р СоореггНен01) усовершеистповал и выпустил нв рынок серию парартутных лами низкого давления, которыс геиерировалп свет в видимой области спектр* ртути. зеленовато.голубой свет с бааьшям дефицитом в красной части спектра. Эти лампы были шнрояо нспольаованы для промышленнпго освещения (не. счотря на то, что пни леаали человека покожим на кадя- чего чертвепа), так «ак онв были в несколько раз эффек. тивнее, чем лучшгк лампы накаливании с уюльной вытью накала, имеющие более нвзкве световую отдачу и «рак службы. Постепенно парортутные лампы бычи нытеснецы газонапалненнычн лампочи накаливания с вольфрамовой питью накала.
Все эта рязряпные приборы характеризовались сравнительно низкой селектавнастъю: электрическая энергия, подводимая к разряду, рассеивалась различными путячи. Упругие соудзрспия электронов с аюмзмн газа, превращающие энергию в ~епло возбуждевне чаагвх спгк. ралью ляп й н неэффектвюа т эле траков огннюпии гьчлу~етгг вге это в результате прнводг~т к рагсеивавню энергия иа мпогнг пэпцесгы н нз аднн нз пропсссов нс является прсобладвющвм.
Следпвательно, такие устройства были сравнятсльно неэффективны квк ггсточннкн света Однако в !920 г почти одновременно в нескольких местах было открыта, что разрнд в смеси варов ртути прв овределенном оптимальном даиленни н инертного газа прн давлении в вескплька сотен раэ выше оказалгя я' ш чрезвычайно эффективным для преобразования электРической энергии в ультрафиолетовое излучение (УФ) ', Почти 60% электрической энергии однородного столба разряда может быть полностью превращено в излучение единственной резонансной линии спектра ртути с длиной 253,? нм, начинающейся на уровне 6а Ре и оканчивающейся на уровне 6' ое — основном состоянии атома ртути.
Развитие ламп, экономичных в практическом отношении, основанных на этих принципах, потребовало двух других изобретений, таких как: подходящий люминофор для нанесения па стенки трубки, чтобы превращать невидимое ультрафиолетовое излучение в видимый свет, и эффективные электроды с болыпим сроком службы. Все это было получено в конце 1930 г., а в 1940 г. люминесцентные лампы стали коммерческой реальностью. Успепшое внедрение люмнпесцентных ламп потребовало значительного переворота, поскольку, как увидим далее, люминесцентные лампы не могут работать в патронах ламп накаливания и требуют специальных вспомогательных приспособлений (известных как балласты), а ничего этого еще не было. Развитие и выпуск на рынок законченных новых систем было значительно ускорено тем, что страна находилась в состоянии войны и построенные вновь предприятия нуждались в новом способе освещения, который обеспечивал бы гораздо больше света при данных затратах электроэнергии, запас которой был невелик.
С тех пор, как первоначально (1940 г.) начато промышленное производство ламп мощностью 40 Вт длиной 120 см и диаметром 38 мм, не произошло никаких существенных изменений в газоразрядпых компонентах. Наполняющим газом по-прежнему осталси аргон, хотя лавление аргона снизилось с 450 Па (3,5 мм рт. ст.) до 325 Па (2,5 мм рт. ст.), оптимальное давление паров ртути по-прежнему составляет 0,8 — 1,3 Па (6 — 1О ! О-' мм рт. ст.), что достигается при работе лампы с изоытком ртути при температуре на стенках трубки около 40'С.
Разрядный ток равен по-прежнему 425 мй, падение потенциала па луге 105 В. Много было сделано по улучшению электродов и люминофора, что иллюстрируется кривыми световой отдачи средней лампы в зависимости от времени для 1940 и 1968 гг., показанными на рис. 2-1, Были достигнуты большие успехи и в понимании основных физических явлений, от которых зависят ха- 20 рактеристики люмине- г, сцентных ламп. Эти успе- «йоо моа хи позволили создать много лругих типов лю- Еаее минесцентных ламп, работающих при других условиях с такой же вы- ОООО !ОООО Мт ОО т сокой эффективностью.
Р 2-1 С аинение характеристик характеристики этого сво- лю инес е тиых ламп мош о ис. -, р иост ыо еобРазного газоРазРЯДно- 49 л лли 1949 и 1999 го прибора и рассмотрим ойства, физические явления, ответственны ойст ., е за эти свойст ., на физике явлений. п облемы зажигания фиксирован внимание прежде всего ' ф В следующих главах Рассмотрим пр аботу электродон лампы. Наконец, в гл, приламп и ра математическую мовелем о тносительно элементарную мат аз я а и продемондель положительного столба такого разряд ., как она может быть использована для расчета стрируем, как н ха рактеристик в разряде.
Совсем нс >улу р лемы люминофора, прогресс в развит ии люмино<ропроолем схо ящих в люмино- а или понимание процессов, происх д ра и форах, поскольку па это понадобится б я |елая книга. стднако часто булет ссылка на о~ ф р люминофо ы в том смысле, зл венин»(, нм (235,? что слова «выход света» и «выход и; у (, ! . и люмен на пот ебляются как синонимы слов к. и. л. бого данного люминофора выход вилимог интенсивности тельной степени пропорционален чит .
излучения 253,? ям, падающего на цс ~с~ о. 2-2. О СНОВНЫЕ СВОЙСТВА РАЗРЯДА В СМЕСИ РТУТИ С ИНЕРТНЫМ ГАЗОМ ПРИ НИЗКОМ ДАВПЕН ИИ а) Положительный столб разряда или плазма Энергегаческиб баланс П . йство, которое опишем, было уже упомяервое сво путо: это эффективность, с которой разряд пре р у электрическую энерги1 ию в ультрафиолетовое излучение. Этот эффект требует, (1о-первых, чтобы потери на излучение преоблалалн над другими д вумя важными потерями энергии в пла.. зме: потерями на ионизацию и потерями на упругие с толкновення. Чтобы понять, как это 21 (2-1) происходит, необходимо кратко исследовать процессы преобразования энергии в плазме разряда в общем случае, а затем применить эти понятия к данному особому случаю.
Плазма разряда представляет собой проводящую среду, состоящую из приблизительно равных количеств свободных электронов и ионов в газе. Сохранение этой проводимости требует образования электронно-ионных пар ° с той жс скоростью, с которой они теряются. В плазме разряда низкого давления основным процессом, способствующим рекомбинации, является амбиполярная диффузия электронов и ионов к стенкам трубки и рекомбинация на стенках, которая превосходит рекомбинацию в обьеме. Следовательно, скорость потерь и требуемая скорость образования зарядов зависят от диаметра трубки и давления наполняющего газа.
Источником электрической энергии, поступающей в плазму, являются ускоренные электрическим полем внутри плазмы, электроны. Положительные ионы, поскольку их масса значительно больше, чем у электронов, приобретают значительно меньшие скорости и поэтому несущественны в процессах поступления энергии. Электроны, ускоряемые электрическим полем, приобретают энергию; они совершают упругие соударения с атомами газа, которые отражают их с незначительными потерями энергии; они соударяются друг с другом с обменом энергией, и они совершают неупругие соударения с атомами газа.
При этом ионизируют атомы или возбуждают их до более высоких энергетических состояний, с которых атом излучает. В результате этого множества взаимодействий с электронами электронный «газ» в плазме приобретает определенное распределение по скоростям. В случае разряда в смеси ртути и инертного газа это распределение почти сферически симметричное и максвелловское. Это значит, что существует почти одинаковое число электронов, движущихся в различных направлениях, и распределение скоростей в электронном газе описывается формулой Максвелла — — Больцмана / / 2 ~ Ц )П~ -Шаг где (/=Моз/2; Т вЂ” параметр.
В системе с термодинамическим равновесием, в которой все компоненты подчиняются (2-!), Т вЂ” темпера- 22 Рнс. 2 2. Максвелле-Гольцмановское распределснне для двух значення электронных температур, которые характерны для люмннесцентных ламп. Показана для сравненвя энергия некоторых тнпнчных состряпая для ртутн я аргона.
01 тура. для удобства дадим ей индекс и назовем ее Т, †электронная температура. Иа рис. 2-2 показано это распределение для двух электронных температур вместе с энергией нескольких важных состояний ртути и аргона. др Существует, конечно, дрейфовое движение электронного облака вдоль линий электрического поля, но «дрейфовая скорость» в общем случае составляет только 1 илн 2'/, «беспорядочной скорости», с которой отдельные электроны движутся во всех направлениях.
Можем рассматривать электронный газ в такой плазме скорее как «дрейфовый полет пчел», чем как «направленный полет пуль». Электронная температура тогда определяется балансом между энергией, подводимой к электронному газу за счет его дрейфового движения вдоль электрического поля, и потерями энергии электронным газом за счет ионизации, упругих соударений и возбуждения. Электроны распределяют подводимую энергию таким образом, чтобы сохранить распределение скоростей, показанное на рис. 2-2, где температура Т, определяется балансом энергии.
В стационарной плазме, т. е. в такой плазме, где плотность электронов и ионов не изменяется во времени, скорость образования электронно-ионных пар должна быть точно такой же, как и скорость их исчезновения. Скорость образования электронных и ионных пар сильно зависит от электронной температуры, так как доля электронов, которые имеют энергию, достаточную для ионизация атома (т.
е. больше чем 10,4 В для ртути), увеличивается экспоненциально с ростом температуры (рис. 2-2). СледОвательно, в разряде, в котором диффузия является преобладающим механизмом ионизациоииых потерь, устанавливается характерная электронная температура, при которой разряд сохраняет стабильность, определяемую диаметром трубки и давлением газа.
Электрическое поле в плазме должно поэтому оыть таким, чтобы обеспечить точно ту электронную температуру, которая уравновешивает потери энергии электронным облаком. Это обы шо достигается прп работе разрядных устройств в цепях с последовательно соединенным сопротивлением, так что разность потенциалов между электродами уменыпается с увеличением тока.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
