Уэймаус д., Газоразрядные источники света (988969), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Однако при наличии в плазме достаточно высокой концентрации электронов частота возбуждающих и тушащих соударений становится гораздо выше частоты излучакп щих переходов. Это особенно верно для резонансных переходов, для которых пленение значительно увеличивает эффективную продолжительность жизни возбужденных состояний. Когда концентрация электронов достаточно велика, так что излучающие переходы оказывают сравнительно малое влияние на общее количество переходов в данное состояние и обратно, концентрация атомов в данном состоянии близка к той, которая описывается (2-4). При этих условиях состояние обозначается как локальное термодннамическое равновесие ЛТР. Одной из причин того, что выход УФ излучения растет с ростом тока, является приближение зР-системы резонансных и метастабильных уровней ртути к ЛТР с электронным газом.
Так как концентрация возбужденных атомов ртути и* стремится к постоянному значению, а выход УФ излучения пропорционален и"(т', где т'— средняя эффективная продолжительность жизни резонансного фотона, то выход УФ излучения также приближается к постоянному значению. Однако нельзя сказать, что насыщение обусловлено только этой причиной. Хотя зР-система еще не достигла ЛТР, выход УФ достигает постоянного уровня. Это в значительной степени обусловлено уменьшением электронной температуры с увеличением концентрации электронов и тока.
Если запишем действительную плотность атомов ртути в состоянии 'Р, как п,=(,п,лтг=(,п. (д,,lд,)е — а,~п то можно видеть, что она зависит от Т„так как е уменьшается, заселенность уровней при ЛТР уменьшается со скоростью примерно такой, как 1„, в то время как доля от заселенности уровней при ЛТР, которой достиг- 34 ла система, увеличивается. Абсолютная плотность ртутных атомов на более высоких энергетических состояниях поэтому остается приблизительно постоянной 1Л. 2-71. В случае типичной лампы мощность 40 Вт, уровень насыщения светового потока, достигаемый при увеличении тока при постоянной температуре стенки трубки за счет водяного охлаждения, в 2,5 раза выше светового потока, получаемого при номинальном токе.
Факт, отмеченный ранее, что при всех постоянных параметрах электронная температура уменьшается сувеличеиием разрядного тока, дает возможность понятьдругой важный процесс в ртутно-газовом разряде низкого давления. Это явление называется «ступенчатой ионизацией». При рассмотрении энергетического баланса плазмы такого разряда была высказана точка зрения, что в устойчивом состоянии электронная температура стремится к значению, необходимому для образования новых ионов и электронов взамен исчезнувших, и что это в свою очередь определяет продольное электрическое поле и падение потенциала.
Ничего не было сказано о процессе ионизации, за исключением того, что предпо. лагалось, что степень ионизации, приходящаяся на электрон, является функцией только электронной температуры и плотности ртутных атомов, Это верно только частично. Ионизация может иметь место в результате нескольких процессов: или в результате соударения электрона с энергией больше 16,6 10- " Дж (10,4 эВ) с нормальным атомом ртути, или в результате соударений электрона с возбужденным атомом, когда кинетическзя энергия электрона больше, чем разность между потенциалом ионизации и потенциалом возбуждения. Например, электрон с энергией больше 7,5 10-" Дж (4,7 эВ) может ионизировать атом ртути, находящийся на верхнем мета- стабильном уровне 6"Рь В то время как совершенно очевидно, что только небольшая часть атомов ртути нахо.дится в возбужденных состояниях при типичных условиях разряда, большая часть электронов в плазме разряда имеет кинетическую энергию, достаточную для ионизации возбужденных атомов.
Кроме того, в общем случае эффективное поперечное сечение возбужденных атомов для ионизации больше, чем .сечение нормальных атомов (Л, 2-81, таким ооразом, общая скорость возникновения 3~ 33 новых электронно-ионных пар при электронном ударе с возбужденными атомами ооычно сравнима или выше, чем при соударении электронов с нормальными атомами. Таким образом, пока концентрация возбужденных атомов в разряде увеличивается с увеличением концентрации электронов и тока, степень ионизапии в расчете на средини электрон при заданной температуре также должна увеличиваться с током.
Например, предположим, что при токе /, 99'/, атомов ртути находятся в основном состоянии, а электронная температура, равная Т,ь обеспечивает образование /с новых электронно-ионных пар в 1 с в расчете на один атом и один электрон. Предположим далее, что !с/з атомов ртути в возбужденных состояниях имегот число ионизации на один атом и электрон, равное 100/с. Тогда общее число иоиизаций на один электрон будет: /сг =0,991+ 0,01 (1ООР) =1,99/(. Предположим теперь, что ток был увеличен до значения /э=3/ь при котором 2% атомов ртути находится в возбужденных состояниях, 98о/о — в основном, а число ионизаций нормальных и возбужденных атомов на один атом и электрон не изменилось, тогда /сз=0,98)с+0,02(!(ИИ) =2,98/с, т.
е. число ионизаций на один электрон увеличилось почти на 50'/е, В разряде, где процессы диффузии играют важную роль, скорость потерь ионов и электронов из плазмы на стенках пропорциональна первой степени концентрации электронов и ионов; т. е, скорость исчезновения на один электрон постоянна и не зависит от концентрации электронов, а следовательно, и тока, поэтому система, в которой скорость исчезновения на каждый электрон не изменяется с током, а число ионизаций в расчете на электрон увеличивается с током, не может находиться в устойчивом состоянии. В результате электронная температура, требуемая для поддержания скорости ионизации в расчете на один электрон, равной скорости исчезновения зарядов, уменьшается с увеличением тока.
Согласно ранее отмеченному доводу продольное электрическое поле (а следовательно, падение потенциала), требуемое для обеспечения Зб стационарного состояния разряда при данном токе, уменьшается с ростом тока. Это показано на рис. 2-8, на котором изображена зависимость падения потенциала от тока при постоянном давлении паров ртути †крив 1 — и для давлсния паров ртути, определяемого температурой стенки трубки (а следовательно, разрядным током и мощностью)— кривая 2 (Л. 2-4). Можно видеть, гго падение потенциа- 7(алряжеяие гажнгалия 71 ру пературой (23'С). Этн пю кривые можно считать Тел, мЯ геометрическим местом тех точек (гУ), для которых скорость изменения во времена конца,, центрацвн электронов,— равна нулю. Для точек выше н справа ' с(г г(1П жа Ь(й) Л7(7 с(лс — больше нуля (образовавне электронов превышает нх потерн), ш концентрация электронов со временем увеличивается. Для точек, лес(лс жащвх ниже н слева, — меньше нуля.
ла уменьшается также с увеличением давления ртути. Это является результатом действия двух факторов. Ббльшее давление паров ртути обеспечивает больше иоиизируемых атомов ртути, увеличивая скорость ионизации при . данной электронной температуре и требуя более низкой электронной температуры для поддержания стационарного состояния. Болыпсе давление ртути, кроме того, увеличивает пленение резонансного излучения и уменьшает потерю энергии разрядом, за счет чего уменьшается осевой гра- 37 Рнс. 2-8.
Завнснмость паденвя нотенцнала з разряде от тока для ламп дяамегром 38 мм. Крнвая 1 снята пря постоян. ном давленвн паров ртутв (температура стенки трубки равна 40'С); крн. вая 2 снята прв температуре стенки трубки, определяемой разрядным током н ок жающей тем- мч уг(7 'цэ 11О 4 1Р() диент потенциала, требуемый для сохранения данной электронной температуры.
Из-за наличия падающей вольт-амперной характеристики говорят, что разряд имеет «отрицательное» сопротивление. Это создает проблему компоновки электрической схемы для работающих ламп. В общем случае для того, чтобы вызвать нонизацию в газе и зажечь разряд, требуется напряжение, превышающее рабочее напряжение лампы. Это напряжение называется «напряжением зажигания» ((,. Если напряжение зажигания приложить прямо к выводам лампы без последовательного соединения с сопротивлением, газ будет ионизироваться. Спустя некоторое время после этого рабочая точка (г, (() разряда будет находиться где-то па линии постоянного напряжения (г'=()„ находящейся в области, для которой скорость ионизации превышает скорость рекомбинации н г(п)г((>0.
Таким образом, со временем п, непрерывно растет, а вместе с ней-- и разрядный ток лампы. Следодовательно, разрядный ток будет увеличиваться пока ~яв г Рис. 2-9. Влияние последовательно соединенного резистора на стабилизацию тока в разрядной трубке с «отрицательным сопротинлеипем». Для рабочих точек (й О), лежаших снизу и справа от кри. вой (Г» з, потенциал на раарядной трубке будет меньше У (из-зь пл, падения потенциала на )() и „-; меньше пуля, согласно этому кон- центрация электронов будет уменьшаться со временем, а рабочая точка будет передвигаться к более низким токам.
Таким образом, точка 0», Уз) это устойчивая рабочая гочка: все остальные рабе ~не точки, случайно появляющиеся при приложении к системе напряже- ния (Гз, будут стремиться вернуться к ней. 38 что-нибудь не перегорит: предохранитель, электропроводка или вводы в лампу. В результате этого такие разряды должны всегда работать с последовательно включенным сопротивлением, таким как на рис. 2-9. На рис, 2-9 показана зависимость тока от разности потенциалов (улп на разрядной трубке и последовательно соединенном резисторе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
