Уэймаус д., Газоразрядные источники света (988969), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Потребление мощности в разрялс склалывается из мощности, потребляемой в областях у электролов, которые дают сравнительно небольшое УФ излучение, и мощности, потреоляемой в положительном столбе раз ряда, который является основным источником УФ излу чения. Рисунок 2-4,б отражает тот факт, что потребление мощности на электроде зависит от разрядного тока и наполняющего газа (оба эти параметра на рис. 2-4,б постоянны, независимо от длины), потребление мощности в положительном столбе прямо пропорционально длине дуги, потому что существует однородное продольное электрическое поле в положительном столбе, и потребление мощности в столбе равно произведению напряженности осевого поля, тока и длины.
Чем длиннее труока, тем болыпая часть общей подводимой энергии потребляется положительным столбом и тем больше к. п. д. лампы приближается к к. и. д. бесконечно длинной лампы. Наличие максимума на кривой зависимости к. п. д. от диаметра (рис.
2-4,а) предполагает существование двух противоположных процессов. Сначала рассмотрим, почему к. п. д. уменьшается с увеличением диаметра лампы. Ультрафиолетовое излучение, которое является основным видом излучения в этом разряде, появляется в результате перехода ятома ртути в основное состояние. Слеловательно, атомы ртути в основном состоянии (а 99о)а из них находятся в этом состоянии в любой данный момент) могут вновь поглощать фотоны УФ ло того, как они успеют покинуть трубку, Этот процесс сам по себе ие вызывает потерь энергии, так как очень вероятно, что атом ртути, который поглощзет УФ фотон, вновь 29 его излучит. Таким образом, фотон не теряется в процессе поглощения.
В действительности в среднем фотон УФ поглощается и излучается от 100 до !000 ряз, пока не покинет трубку. Этот процесс в литературе называется «пленением» или «задержкой» резонансного излучения. Каждый раз, когда фотон поглощается, возникает на время возбужденный атом ртути; однако имеется некоторая вероятность того, что его энергия может быть рассеяна при тушащсм соударении с атомом газа или атом ртути может быть возбужден при соударепии с электроном до более высоких энергетических уровней, которые в конечном счете излучают «бесполезное» (не УФ) излучение.
Чем дольше в среднем УФ фотон не сможет покинуть колбу, тем больше вероятность того, что появляются другие виды потерь и тем ниже общий к. и. д, УФ излучения. Ясно, что чем больше диаметр трубки по сравнению с длиной свободного пробега среднего фотона перед абсорбцией, тем большее количество раз фотон будет поглощен и излучен перед тем, как покинет колбу, итем дольше он не сможет покинуть ее и тем ченыпе будет эффективность УФ излучения, поэтому, когда пленение играет большую роль, к. п.
д. уменьшается с увеличением диаметра трубки. Вторая сторона максимума на рис, 2-4,а более сложная, потому что она зависит пе от одной, а от нескольких причин сразу. Как мы увидим в последующих главах, если диаметр трубки умепыпается, скорость исчезновения электронов и ионов у стенки трубки увеличивается. Поскольку образование каждой электронно-ионной пары требует потенциала 10,4 В (все положительные ионы — это, главным образом, ионы ртути), а количество электронов и ионов должно оыть постоянным, чтобы сохранить постоянную проводимость столба плазмы, то ионизация приводит к потере энергии, которая увеличивается с уменьшением диаметра.
Однако сама по себе потеря энергии на ионизацию не может привести к такому большому различию, так как в общем случае оня мала. Но более высокая скорость исчезновения электронно-ионных пар па стенках трубки меныпего диаметра требует более быстрого образования электронов и ионов, это в свою очередь означает, что электронная температура должна стать более высокой. Более высокая электронная температура уменьшает 30 долю энергии, идущей на возбуждение требуемого состояния аРь в соответствии с (2-3).
В связи с этим эффективность УФ будет уменьшаться. Это частично компенсируется использованием более высоких давлений инертного газа в лампах с малым диаметром, чтобы ограничить увеличение электронной температуры. Более высокие электронные температуры означают пропорционально большее увеличение возбуждения состояния 'Р1 (6,7 В) и увеличение выхода УФ излучения линии 185 нм, которое вызывает повреждение люминофора. Естественно, что более высокие давления инертного газа приводят к увеличению потерь на упругие соударения и к дальнейшему снижению к. п.
д. у лм/Вг бл а др гба ж угп дпеелеие арсе«а, яа и гр бр уемеература етеени, 'С Рвс. 2-3, Завнснмость к. в. д. от давленая наполняющего аргон» для ламп диаметром ЗЗ мм. Рвс. 2-6. Зависимость относительного к.н.д. для ламп дна. метром 33 мм от температуры стенка трубки. На рис. 2-5 показана зависимость к. и. д. ламп диаметром 38 мм от давления наполняющего аргона при работе пя постоянном токе (значения к. п. д.
надо умножить ня 1,35, чтобы получить соответств)чощую кривую на 1968 г.) [Л. 2-21. При низких давлениях аргона к. п.д. увеличивается с увеличением давления, так как происходит уменыпение скорости потерь на ионизацию, а следовательно, и уменьшение электронной температуры; при эточ увеличивается эффективность возбуждения состояния 'Р| согласно (2-3). Однако при давлении свыше 130 — 200 Па (1 — 1,5 мм рт.
ст.) к. п. д. уменьшается с увеличением давления яргона, так как увеличиваются потери на упругие соударения с увеличением давления аргона и уменьшается общий выход излучения вследствие уменьшения электронной температуры. 31 Зависимость к. п. д, от температуры стенки, показанная на рис. 2-6 (Л. 2-41, может быть понята из того факта, что люминесцентные лампы изготовляются с избыточным количеством ртути, чтобы обеспечить ее достаточный запас в течение всего срока службы лампы. Давление ртути в лампе определяется температурой самой холодной зоны трубки. При низких давлениях ртути к, п.
д. увеличивается с увеличением давления, так как при увеличении давления увеличивается концентрация возбужденных атомов ртути, за счет этого увеличивается выход УФ. При высоких давлениях паров ртути увеличение давления паров ртути уменьшает эффективную длину свободного пробега фотона, за счет этого увеличивается влияние пленения резонансного излучения. Таким образом, при высоких давлениях ртути к. п. д. должен уменьшаться с увеличением давления ртутных паров. Именно этот эффект определяет серьезный недостаток люминесцентпых ламп: зависимость их характеристик от окружающей температуры.
При применении внутри помещения осветительная арматура используется также в качестве воздухораспределяющих элементов в системе кондиционирования воздуха. Однако нс всякая арматура в установке используется с этой целью, поэтому лампы в ряде осветительных установок могут иметь различную световую отдачу в зависимости от температурного режима в светильнике. В установках уличного освещения светильники обычно конструируются так, чтобы температура внутри них была достаточно высокой, для того чтобы лампы могли работать при температуре приблизительно до 30'С. Непзоежно, что при наружных температурах +35'С они будут слишком перегреваться. Следует заметить, что полезно ввести специальную терминологию для другого специфичного свойства ртути. Дело в том, что природная ртуть существует в виде пяти изотопов приблизительно равных концентраций. Резонансная линия УФ с длиной волны 253,7 нм слегка отличается по длпне волны для каждого из них, и перекрываются они очень мало, поэтому каждый изотоп ртути может поглотить только те фотоны, которые были испущены таким же изотопом (Л.
2-5]. В результате этого давление ртутных паров, которое может быть использовано в лампе из-за существенного ограничения выхода резонансного излучения за счет процесса плене- 32 ния излучения, в 5 раз больше, чем если бы ртуть существовала в природе только в виде одного изотопа (как, например, натрий). На рис. 2-7 показано еще одно свойство люминесцентной лампы, которое будет важно для данного анализа (Л. 2-61. Если давление ртути постоянно, а ток при данном диаметре трубки увеличивается, то выход УФ увеличивается до насыщения, после чего остается постоянным. Потери на упругие соударения и на возбуждение «бесполезного» (»е УФ) излучения продолжают расти, Гик а) Гак Я Рис.
2-7. Зависимость выхода УФ излучения с Л=233,7 нм ов тока (схематичве) (а) в к. в. д. геверацяв УФ взлучеляя е л 263,7 ям от тока (схематвчно) (б). так что к. п. д. сильно уменьшается с увеличением тока. Причина этого заключается в том, что кроме процесса возбуждения атомов с более низкого на более высокий энергетический уровень электронами с достаточной для этого энергией (которые при этом теряют кинетическую энергию, равную той, которая отдается атому) имеет место обратный процесс. Он заключается в том, что медленный электрон, соударяясь с возбужденным атомом, может взять назад энергию возбуждения в виде кинетической энергии, оставляя атом в более низком энергетическом состоянии.
Такие соударения называются «соударсииями второго рода». При полном тсрмодинамическом равновесии в системе, в которую излучение не поступает и не выходит из нее и все компоненты которой име|от одинаковую температуру, число ударов второго рода должно быть равно числу возбуждающих соударений для каждого уровня, так что заселенность атомов в каждом состоянии остается постоянной. В состоянии термодинамического равновесия отношение концентрации атомов в (-м состоянии 3-33 33 и; к концентрации в основном состоянии пе определяется формулой Вольцмана — '=-щ е (2-4) па па где д — статистический вес состояний. В газоразрядной лампе излучение покидает систему, так что полного термодинамического равновесия нет.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
