第4章改气体放电原理

第四章气体放电灯的基本原理第四章气体放电灯的基本原理4-4气体放电灯的稳定工作主要内容:4-1气体放电的基础知识4-3谱线的放宽4-2气体放电的辐射4-1气体放电的基础知识电子发射和电极电子发射:阴极提供电子的过程电子发射的方法：一、热电子发射二、正离子轰击发射三、场致发射四、电子轰击发射阴极的逸出功（功函数）：对一定的阴极，在绝对零度时，电子逸出所需的最小能量Φev，Φ就成阴极的逸出功。热电子发射概念：对阴极加热，电子的运动速度增加，使电子的热运动的动能超过逸出功时，它就可以飞到阴极体外，这种现象就叫热电子发射。

表现：1）同样温度，功函数低的材料发出的电子多。因此，阴极经常使用逸出功低的材料。例如，钍钨比钨好；碱土金属氧化物（BaO,SrO)。2）绝大多数材料在室温时热电子发射很低，到1000K时发射显著。所以要足够发射，阴极必须加热到一定温度。按加热方式分自热阴极和独立式阴极。

总结：1）热阴极材料应具有低的逸出功，高熔点，低蒸发速率；2）热电子发射是弧光放电阴极最主要的一种发射形式。4-1正离子轰击发射概念：正离子在空间电场中加速，然后撞到阴极上，把能量传给阴极中的自由电子，使自由电子获得速度，飞出阴极，形成电子发射，这就是正离子轰击发射。现象:这种发射，阴极不需加热，当然，由于正离子轰击，阴极温度有所升高，但这一温升对发射无大作用。正离子轰击发射也叫冷阴极发射。。辉光放电的阴极主要是这种形式，它工作在高电压，小电流；总结：辉光放电的阴极材料不需高熔点，但要耐正离子轰击，且为增加面积作成圆筒状。材料：Al,Ni,Fe,Cu,有时涂碱土金属氧化物。4-1场致发射概念：阴极在外强电场的作用下，金属表面势垒变形，功函数降低，部分自由电子“透过”势垒而脱离金属表面，这种现象叫场致发射。应用：FEDdisplay（场致发射显示）4-1四、电子轰击发射概念：如果轰击电极的高速电子具有足够的能量，它就可以从电极中打出二次电子，这种发射称电子轰击发射对直流灯无意义，对交流灯，特别是低气压高频放电，则很重要!阳

极

阳极发热问题！阳极耗散的热量与放电电流成正比，因此，低电压，大电流灯中阳极耗散功率很可观。高熔点金属（钨）做阳极。碰撞、激发和电离原子的结构碰撞碰撞产生激发和电离的过程一、原子的结构1.原子模型原子尺寸大小约10-8cm;中间为原子核，尺寸约10-13cm，质量集中在核上，带正电;核周围是电子，围核在一定轨道上运动，me=9.1*10-28g，Qe=1.59*10-19C，带负电；正电荷=负电荷；原子不带电；元素不同，原子结构不同。2.原子能级能级：每一条横线；基态：最低的能级OG;激发态：基态上面的能级

m,n都是激发态，由价电子处于那一轨道决定电离态：电子完全脱离原子基态原子需要的最小能量是eVi,Vi------电离电位电子脱离原子的速度：

1/2mev2=eVi

二、碰撞分类：弹性碰撞：碰撞前后有关粒子的动能重新分配，总动能不变。

非弹性碰撞：碰撞前后有关粒子的内能发生变化，动能和也变化。第一类非弹性碰撞：由于e碰撞造成原子激发或电离。电子动能，体系内能激发：e+AA*+e+∆E电离：e+AA++e+e+∆E第二类非弹性碰撞：被激发的原子和e碰撞，前者内能交给e而去激发。体系内能原子处于亚稳态易发生。

A*+ee+A-∆E亚稳态：

是这样一些能量状态，处在这些能态上的受激原子不能自发地跃迁到基态或任何一个较低的能态。亚稳态有相当长的寿命（10-2s)意义：1.亚稳态的存在使逐次激发和逐次电离机会大大增加；

e+A*A**+e+∆Ee+A*A++e+e+∆E2.产生潘宁效应，有利于灯的启动。

A*+BA+B++e+∆E(ifVA*>VB+)三、碰撞产生激发和电离的过程激发过程:

电子从阴极发射出来，受外电场加速，动能增加。当基态原子和动能为1/2mv2

的e相碰，当1/2mv2<evr时，发生弹性碰撞；当1/2mv2>evr时，原子就可以吸收evr后跃迁到激发态。碰撞后电子能量减少evr

，这些电子在外电场作用下重新获得能量，再与其它原子碰撞。

激发：e+AA*+e+∆E

电离过程：

1/2mv2>evi时，电离电离：e+AA++e+e+∆E

激发和电离的作用激发的作用：发光！原子处于激发态不稳定，能自发地迁到较低的激发态或基态，释放一定量的光子，这就是发光。发光频率与二能态之差∆E的关系：∆E=EA-EOG=e∆v=hν=hC/λ所以，e∆v=hC/λ，即λ=1239/∆vnm由此可知：知道电子在原子能级图中能级变化状况，就可以计算出它的辐射谱线的波长；从激发态向基态跃迁所产生的辐射叫做共振辐射，由此辐射的谱线叫共振线，eg.Hg∆v=4.88,6.7λ=253.7,185.0；原子一般处在激发态的时间很短（10-8s），便返回基态，放出辐射。但有些原子在一些激发态停留较长时间，并不辐射，这些状态叫。。。激发和电离的作用电离的作用：1.如果无电离，灯内充满负电荷，不存在正离子轰击发射了。2.部分电子扩散到管壁而损失掉，需气体的电离来补充。3.自持放电离不开电离！4.1气体放电的基础知识4.1.3带电粒子在气体中的运动一、热运动:ifno电场or磁场作用，带电粒子只作无规则热运动二、迁移运动：if电场存在，带电粒子受到电场的作用，它的运动可以看作是在热运动的基础上叠加一个沿电场方向的运动，这个方向的运动叫迁移。迁移的速度是电场强度的函数V=f(E)

正是由于迁移的存在，才使气体导电现象得以形成。三、扩散运动：if带电粒子在气体中的分布是不均匀的，则带电粒子浓度大处就会向带电粒子浓度小处形成定向运动，如此形成的定向运动，就叫扩散。“双极”扩散率等离子体中有电子和离子。电子轻且杂乱热运动使其速度快，因此预测电子向管壁扩散比正离子快，所以等离子体中正离子过剩。由于正离子吸引电子，所以减慢电子扩散速率；另正离子产生一径向电场，加速正离子向管壁扩散。所以，总的效应使电子扩散慢下来，而正离子的扩散快起来，直到二者以相同的速率扩散为止，这个扩散率就是。。。一、气体放电的全伏安特性二、巴邢定律和潘宁效应三、辉光放电四、弧光放电五、高频放电气体放电的形成和分类一、气体放电的全伏安特性实验装置：把一对平板电容器放在密封容器中，并抽成低真空（俗称放电管），加一电压在两极板上，发现二电极间有电流通过。电流的数值随电压的变化而变化，方向从正极到负极，测出不同电压下的电流，得到如图曲线。结果:1）OA：自然带电粒子2)AB：饱和3)BC：繁流C：着火点4)DE：灯管导通5)EF：正常辉光放电6)FG：异常辉光放电7)GH：弧光放电总结：OC是非自持放电;CD开始满足自持条件，不稳定自持放电;DE过度区域;从E点开始是稳定的自持放电；EF为辉光放电；H点后进入弧光放电。自持放电电流增长机理：电子繁流or电子雪崩设d>>λ(平均自由程：分子连续二次碰撞之间的距离称为自由程；其平均值称为平均自由程）电离：e+AA++e+e+∆E电子繁流（雪崩）：电子从阴极出来，向阳极运动，经一系列电离产生新的电子。继续运动，继续电离，使电子数目增长。这些电子形成向阳极运动的“电子繁流”或称谓“电子雪崩”。电流的迅速增加，是由于形成了电子繁流。自持放电条件：

γ(eαd–1)=1

二、巴邢定律和潘宁效应(启动）影响气体放电击穿的因素：电极形状；电极材料表面情况；不同气体种类；阴极材料；气体压力和极间距巴邢定律

1889年，巴邢发现，其它条件不变，击穿电压主要受气体压力P和极间距d影响，更确切是受它们乘积Pd影响，Vs=f(Pd)巴邢曲线解释：Pd过小Pd过大Pd最佳值适用范围：物理意义：对任一气体放电管，如保持其他条件不变，仅改变气压和极间距，总能找到一个Pd值，对应这一值气体放电存在一个最低的击穿电压。潘宁效应----降低启动电压现象：混合气体的击穿电压比单独每一种气体的击穿电压低。物理内容：A*+B→A+B++e+∆E(ifVA*>VB+)举例：Ar*(Vm=11.53v)+Hg(Vi=10.4v)→Ar+Hg++eNe*(Vm=16.62v)+Ar(Vi=15.8v)→Ne+Ar++e三、辉光放电组成：8个区域阿斯登暗区阴极辉区阴极区阴极暗区负辉区法拉第暗区正柱区阳极辉区阳极暗区阳极区特征：阴极区必不可少发光强区：负辉区，正柱区阴极溅射四、弧光放电形成（二种方式）：辉光过渡；电极分离弧光放电与辉光放电区别：电流大，阴极位降小(低电压，大电流）高压时阴阳极及气体温度高低或高气压均可产生弧光放电组成：阴极位降区，正柱区，阳极位降区等温等离子体光谱特性低气压：线光谱高气压：谱线放宽分类管壁稳定型：高压汞灯，高压钠灯对流稳定型：碳弧，短弧氙灯（氙比汞轻，放电对流强）电极稳定型：球形超高压汞灯五、高频放电定义：放电所用的电源频率高达106---1011Hz,放电的形式不再发生交替，而成为一种稳定不变的放电形式。4.2.1原子和分子的量子态原子的量子态n2S+1LJ（主量子、角量子、磁量子、自旋量子）

分子的量子态

E=Ee+Ev+Er（原子能级、分子振动能级、分子转动能级）4.2气体放电的辐射4.2.2原子发光和分子发光原子的线光谱∆E=e∆v=hC/λ，即λ=1239/∆vnm共振辐射分子的带状光谱连续光谱4.3谱线的放宽

谱线的自然宽度谱线的多普勒放宽谱线的压力放宽4.4辐射转移辐射禁锢：一个光子从光源发出之前，要经过多次反复的发射-吸收-再发射的过程，这种物理现象成为辐射禁锢。辐射禁锢会引起共振辐射的减弱4.5气体放电灯的稳定工作4.5.1气体放电灯的负阻特性不稳定原因：

a---电弧的V-A特性曲线；I增加，过剩电压V1-V2，I继续增加;I减少，不足电压V3-V1，I继续减少;∴不稳定。电流无限增加或熄弧，直至烧毁。2.如何克服？串联电阻，交流情况下，用电感，电容代替电阻。-----镇流器或限流器电阻镇流V0------电源开路电压；a,b----灯及电阻的V-A特性；Vl-----灯管电压；IR-----电阻电压（用V0D向下画的线段表示）。平衡时，V0=Vl+IR∴A,B二点满足。分析A点：ifI增加∆I→A’V0=Vl+I’R+∆V

可见多出∆V，∴I继续增加，更远离A点∴A不是稳定工作点。分析B点：ifI增加∆I→B’

V0=Vl(VB’G)

+I’R(VDC)–VB’C

可见电压不足，∴I将下降，