Уэймаус д., Газоразрядные источники света (988969), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Тогда обеспечивается устойчивый рабочий ток, при котором разность потенциалов, а поэтому н электрическое поле в плазме имеют значение, необходимое для поддержания электронной температуры па определенном уровне. Распрсделецие потерь энергии электронным газом между потерями на упругие соударения, потерями на возбуждение, приводящими к излучению, и потерями на ионизацню также зависит от электронной температуры. Прн упругом соудареини движущегося электрона с атомом, которое заканчивается отражением электрона, электрон отдает часть своей энергии атому, в среднем (8/3) (т/Л4), где л> — масса электрона и />1 — масса атома.

Так как и/М мало (около !/75000 для электронов и атомов аргона), потеря энергии при одном соударении невелика, но число соударений в единицу времени большое, так что упругие соударения вызывшот значительную потерю энергии. Потеря энергии па соударепие пропорциональна энергии электрона, и в среднем эта потеря энергии увеличивается почти прямо пропорционально электронной температуре. Общая потеря энергии на электрон в среднем пропорциональна числу соударений в единицу времени, поэтому эта потеря энергии увеличивается пропорционально концентрации атомов в газе. Возбуждение атома, с другой стороны, требует минимального значения электронной энергии, равного разносги между энергией того состояния, до которого атом должен быть возбужден, и энергией его нормального состояния. Напротив, доля электронов, имеющих достаточную энергию для возбуждения атомов, обычно изменяется почти экспоненциально с электронной температурой.

Поэтому по сравнению с упругими соударспиями воз- 24 бу>кдающие соударения сравнительно редки, так как только неболыная часть электронов имеет энергию, достаточную для совершения этого процесса; однако те электроны, которые приводят к возбуждению атомов, отдают большую часть своей энергии возбужденному атому.

Таким образом, возбуждающие соударения играют важную роль в балансе энергии. Рассмотрение рис. 2-2 показывает, что для электронных температур, соответствующих кинетической энергии электронов, равной примерно 1,602.10-" Дж, большая доля электронов имеет энергию, достаточную для возбуждения атомов ртути, но меньшую чем это требуется для возбуждения атомов аргона.

Поэтому, покз электронные температуры в ртутно-аргоновом разряде находятся в указанных пределах, возбуждение аргона отсутствует или оно очень слабое; вся потеря энергии на возбуждение определяется затратами энергии на возбуждение атомов ртути. Ионизация атома для образования новой ионно-электронной пары является также электронным соударением, которое отбирает энергюо от электронного газа.

Однако скорость протекания этого процесса определяет все остальные процессы, и в типичном разряде только очень немногие электроны в плазме обладают энергией, достаточной для иопизации атомов. Последним процессом соударения электронов, который представляет интерес, является электронно-электронный удар. Частота таких соударений велика: обе частицы заряжены и действуют друг на друга па значительном расстоянии, электронные пути в плазме пересекаются, так как при соударении с атомами инертного газа электроны отражаются так, что они не все движутся параллельно оси труокп. Кроме того, поскольку оба электрона при встрече имеют одинаковые массы, обмен энергией между ними значителен. Г!рименение статистической механики к взаимодействию множества электронов, имеющих определенную об>п>ую э~юргин>, предсказывает, что распределение электронных скоростей будет подчиняться функции Максвелла — Больцмапа согласно уравнению (2-1), поэтому распределение в разряде ртуть — инертный газ близко к функции Максвелла —— Больцмана даже при отсутствии электроп-электронных соударений; наличие этих соударений достаточно для образования распределения, практически пе отличающсго- 25 ся от распределения Максвелла — Больцмана (Л.

2-1). Энергия, передаваемая отдельным электронам электрическим полем, распределяется между ними таким образом, чтобы установилось распределение в электронном газе, соответствующее температуре Т,. Тогда электронный газ взаимодействует с ртутью и аргоном, теряя энергию и образуя ионы со скоростью, определяемой Т,.

В разряде ртуть — инертный газ одной из основных функции инертного газа является снижение скорости диффузии элсктронов и ионов к стенке. Все это оказывает влияние на регулирование электронной температуры до требуемого оптимального уровня. Оптимальный уровень качественно должен быть, с одной стороны, достаточно высоким для того, чтобы потери на возбуждение и излучение (экспоненциально зависящие от Т,) значительно превосходили потери на упругие соударения (линейно зависящие от Т,), а с другой стороны, достаточно низким, чтобы возбуждение требуемого состояния атома ртути ('Р„ потенциал возбуждения из основного состояния 4,86 В) преобладало над возбуждением всех более высоких энергетических состояний.

Скорость возбуждения единичного уровня Е в атоме может быть выражена приблизительно следующим образом: (2-2) когда электронный газ в плазме имеет максвелловское распределение. Если атом имеет только три состояния (основное состояние, состояния Еь и Ет) общая скорость возбуждения равна: Й=Са с+Се Если излучение принимается исходящим с более низкого возбужденного состояния, доля общей подводимой энергии, которая идет на возбуждение требуемого состояния (в конечном счете, излучающего), составляет: и нплг, 1 Е гл +(0 70 ) ~а н наг, ь 3 (2-3) Ясно, что если Т, увеличивается, экспонента в знаменателе увеличивается и доля общей энергии, которая идет на возбуждение требуемого состояния, уменьшается. 26 рраасль ионизгучгго- рис. 2-3. Энергетическая дяаграмма уровней для ртути, показывающая уровни и основные линии излучения Все длины воли даны в наиометрак.

ъ Так, получилось, что ъ, у ртути энергия возбуж- 4 дения состояния б "Рь с которого испускается 3 требуемое излучение, меньше потенциала ионизации, а энергия сле- ~4 дующей самой высокой группы состояний, с которых испускается сравнительно бесполезное видимое излучение, на несколько вольт выше состояния 'Рь На рис. 2-3 показана упрощенная диаграмма энергетических уровней.

Следовательно, электронные температуры, при которых 70 — 80о7о общей энергии возбуждения приходится на требуемый уровень, могут быть достаточно высокими, чтобы потери энергии на возбуждение могли превышать потери на упругие соударения в 4 или 5 раз, что реализуется при неслишком высоком давлении инертного газа. Другим фактором, который благоприятствует этому положению, является то, что излучающий уровень зРь находится между двумя метастабильными состояниями 'Рь прн потенциале возбуждения 4,7 В и зРт при 5,5 В.

Атомы, которые возбуждаются до этих состояний, не могут излучать с переходом в основное состояние, так как эти переходы исключаются правилами отбора. Следовательно, возбудившись до одного из этих состояний, атом должен оставаться в таком состоянии до тех пор, пока что-нибудь не случится. Одним из наиболее вероятных случаев является то, что какой-нибудь другой электрон соударится с ним. В большинстве случаев атом в состоянии зР, возбуждается до состояния 'Рь или атом в состоянии зРз за счет тушения переходит в состояние зРь Оба этих процесса имеют ббльшую вероятность, так как все электроны, прошедшие разность потенциалов 0,3 В и больше, могут совершать первый вид соударений и все электроны могут участвовать в тушении.

В лействительности, суп1сстиуют три пути, при которых атом может быть возбужден до состояния зР>, которые делают постоянную С, в (2-2) большой. Это означает, что отношение Сз(С> в (2-3) мало, что благоприятствует тому, что большая доля общей энергии возбуждения достигает первого уровня. Результирующим эффектом этого благоприятного сочетания обстоятельств является то, что распределение потерь энергии на слииииу длины положительного столба такого разряда в смеси ртуть — разреженный газ обычно таково: Потери на ионизацию, % ! Потери на упругие столкновении, % ..

.. . . .. . . .. .. 28 Потери на „бесполезную" радиацию, ",а . . . . . . . . . . . . б Потери на узьтрафио.>етовое излучение с длиной во.>ны 253,7 пм, % 55 Дав в общих чертах описание основных процессов в смеси ртути и инертного газа, перейдем к более подробному рассмотрению специфических свойств люминесцеитных ламп и других процессов, происходящих в таких газоразрядных лампах. Заваси>ность свойств лама от исходных парил>етров С помощью рпс.

2-4 попытаемся ответить на вопрос, почему люминесцентные лампы имеют большую ллину и трубчатую цилиндрическую форму, а не делаются короткими и толстыми? На рис. 2-4,а дана зависимость эффективности УФ резонансного излу~>ения от диаметра > 66 .и 54 ф ~$ 60 ь 'ье 56 > ьг ~~ 50 > 0 >г,57 г54 56 блв >упамел>е птрубеа, мм а) гг7 г54 !!»ива буги, ем Рис. 2-4.

Зависимость световой отдачи от диаметра трубки (а) и от длины дуги (б). 28 трубки [Л. 2-21. На рис. 2-4,б представлена зависимость к. п. д, УФ излучения для трубок диаметром 38 мм от длины, работающих при одинаковом токе [Л. 2-2). Значения эффективности привелены в лм?'Вт, но, как уже отмечено, они пропорциональны к. п. д. УФ излучения. Поскольку данные были взяты из [Л. 2-21, абсолютный масштаб световой отдачи не отражает тех реальных успехов, которые были достигнуты в эксплуатационных характеристиках люминофора после 1954 г. Чтобы получить соответствующую кривую нн 1968 г., нужно умножить все значения в лм/Вт на коэффициент 1,35. Зависимость от длины трубки может быть легче всего понята, поэтому рассмотрим ее первой.

Характеристики

Список файлов книги