光源知识培训-气体放电的基本原理
高电压技术第二章-气体放电
各种粒子在气体中运动时不断地互相碰撞，任一粒子在1cm的 行程中所遭遇的碰撞次数与气体分子的半径和密度有关。 单位行程中的碰撞次数n的倒数 长度。 即为该粒子的平均自由行程
处于电场中的带电质点，在电场E的作用下，沿电场方向不断得到加速并积 累动能。当具有的动能积累到一定数值后，在与其气体原子或分子发生碰撞时， 可以使后者产生游离。由碰撞而引起的游离称为碰撞游离。 电子在场强为E的电场中移过x距离时获得的动能为：
第二章 气体放电的基本物理过程
一、碰撞电离[ionization by collision] ：
4 火花放电[spark discharge ] 定义：放电间隙反复击穿时，在气体间隙中形成贯通两极的断断续续的不稳
定的明亮细线状火花，这种放电形式称为火花放电。
在通常气压下，当在曲率不太大的冷电极间加高电压时，若电源供给的功率不太 大，就会出现火花放电，火花放电时，碰撞电离并不发生在电极间的整个区域内， 只是沿着狭窄曲折的发光通道进行，并伴随爆裂声。由于气体击穿后突然由绝缘 体变为良导体，电流猛增，而电源功率不够，因此电压下降，放电暂时熄灭，待 电压恢复再次放电。所以火花放电具有间隙性。雷电就是自然界中大规模的火花 放电。
第二章 气体放电的基本物理过程
B. 放电[discharge] 定义：放电指的是电气设备绝缘有电流流过的现象，从带电到不带电的过程。
日光灯 的工作原理
日光灯的工作原理
标题：日光灯的工作原理
引言概述：日光灯是一种常见的照明设备，其工作原理是通过电流激发气体放电，产生紫外线，再被荧光粉转换为可见光。
下面将详细介绍日光灯的工作原理。
一、电流激发气体放电
1.1 电流通过电极产生电场
1.2 电场使气体中的电子加速
1.3 电子碰撞气体原子，使气体原子激发
二、产生紫外线
2.1 激发的气体原子释放出能量
2.2 能量激发荧光粉中的电子
2.3 荧光粉中的电子跃迁，产生紫外线
三、荧光粉转换为可见光
3.1 紫外线激发荧光粉
3.2 荧光粉中的电子跃迁，产生可见光
3.3 不同荧光粉产生不同颜色的光
四、日光灯的优点
4.1 节能环保，寿命长
4.2 光线柔和，不易眩目
4.3 无噪音，启动快速
五、日光灯的应用领域
5.1 家庭照明
5.2 商业场所
5.3 工业生产
结论：日光灯通过电流激发气体放电，产生紫外线，再被荧光粉转换为可见光，是一种节能环保、寿命长的照明设备，广泛应用于家庭、商业和工业领域。
深入了解日光灯的工作原理，有助于我们更好地使用和维护这种照明设备。
4.3气体放电灯基本原理
Lν(x0)＝ Lν(0)e
+ Sν(τ)[1-e
]
9
光源原理与设计—气体放电的基本原理
诸定昌
1. τ(ν,0)<<1
称光性薄等离子体 10
Lν(x0)＝ Lν(0)+ Sν(τ) τ(ν,0)
2. τ(ν,0)>>1
称光性厚等离子体
2 hν = c2
3
Lν(x0)＝ Sν(τ)
e
hν KT
1 -1
7
光源原理与设计—气体放电的基本原理
诸定昌
平衡下：
1 nn Anm hνProf.ν 4π 1 + nn Bnm LνB hνProf.ν c 8
Lν
1 = nm Bmn LνB hνProf.ν c 光谱的吸收系数： 定义： ν= K
x
x+dx
L’ν
dLν Lνdx
其中 dLν=L’ν-Lν
光源原理与设计—气体放电的基本原理
KT
13
二. 辐射转移方程
dLν(x)= εν(x)dx- Kν (x)Lν(x)dx dLν(x) =εν(x)- Kν (x)Lν(x) dx
单位面积 Lν(x) Lν(x+dx) Lν(x0) 0 x x+dx x0
1
Lν(0)
光源原理与设计—气体放电的基本原理
诸定昌
1.εν(x)=0
dLν(x) = - Kν (x)Lν(x) dx dLν(x) = - Kνdx Lν(x) 在 0→x和 Lν(0) → Lν(x)间积分 Lν(x)= Lν(0) exp(-∫
s
1 nn Anm hνProf.ν 4π
气体放电的基本物理过程
放电的电流与电压特性
电流特性
气体放电的电流大小和波形取决于放电条件，如气压、电流密度和电极形状等。在一定条件下，放电 电流会呈现脉冲或持续的波形。
电压特性
气体放电的电压特性与电流特性密切相关。在放电过程中，电压会随着电流的变化而变化，通常在放 电开始时电压较高，随着电流增大，电压逐渐降低。
放电的热效应与声效应
拓展气体放电的应用领域
能源领域
利用气体放电技术实现高 效、清洁的能源转化，如 燃料电池、太阳能电池等。
问题，如烟气脱硫 脱硝、废水处理等。
医疗领域
利用气体放电技术进行杀 菌消毒、病毒灭活等，保 障公共卫生安全。
THANKS
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电场与气体原子的相互作用
库仑相互作用
气体原子在电场中受到正负电荷的库 仑力作用，导致原子运动状态发生变 化。
电子与原子的碰撞
电场加速的电子与气体原子发生碰撞 ，传递能量，引起原子的激发和电离 。
电子的产生与运动
电子从气体原子或分子的束缚态跃迁 到自由态，形成自由电子和正离子。
电子在电场中受到加速或减速作用， 能量发生变化，运动轨迹发生偏转。
探索新型的气体放电技术
01
02
03
脉冲放电技术
利用脉冲电源产生高电压、 大电流的脉冲，实现高效 率、高稳定性的气体放电。
介质阻挡放电技术
通过在放电空间中设置绝 缘介质，降低放电的击穿 电压，实现低电压、高效 率的气体放电。
电晕放电技术
利用高电压电场产生电晕， 使气体发生局部电离，实 现低电流、低能耗的气体 放电。
电弧放电
另一种不稳定的气体放电状态是电弧放电。 电弧放电会产生强烈的弧光和高温，同时伴 随着较大的电流和电压波动。这种不稳定性 会对放电产生负面影响，甚至导致设备损坏。
第4章改 气体放电原理
A* + B → A + B+ + e + ∆E
举例：
Ar*(Vm=11.53v) + Hg (Vi=10.4v)→ Ar + Hg+ + e Ne*(Vm=16.62v) + Ar (Vi=15.8v)→ Ne + Ar+ + e
三、辉光放电
① ②
③
④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧
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。。。
原子的量子态 n2S+1 L J （主量子、角量子、磁量子43;Er
转动能级）
（原子能级、分子振动能级、分子
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/ ∆v nm 共振辐射
分子的带状光谱
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。
气体放电基础知识
气体放电基础知识关于气体击穿常用气体绝缘介质：空气、SF6、CO2、N2、混合气体（SF6+ CO2、SF6+N2）等。
气体击穿：正常情况下气体是良好的绝缘介质，但当电场强度达到一定数值后，气体会失去绝缘能力（气体击穿）。
气体击穿是气体绝缘失败的最后表现形式，深入了解气体击穿的发展过程，对于提高分析问题、解决问题的能力更有意义。
平均电场强度与最大电场强度尖端效应或边缘效应电极表面的电场强度与其表面电荷密度成正比。
在电极尖端或边缘的曲率半径小，表面电荷密度大，电力线密集，电场强度高，容易发生局部放电。
这种现象称为尖端效应或边缘效应。
尖端效应或边缘效应是极不均匀电场的重要标志。
工程上常需改善电极形状，避免电极表面曲率过大或出现尖锐边缘。
分析绝缘结构的击穿电压时，不仅要考虑绝缘距离，而且还要考虑电场不均匀程度的影响。
对于同样距离的间隙，电场愈不均匀，通常击穿电压愈低。
茹柯夫斯基电极任一等位面上电场强度最大值：12211222C U U C C =+静电感应现象电容分压导体受邻近带电体的影响，在其表面不同部位出现正负电荷的现象称为静电感应。
气体放电的几个概念：气体放电：气体中出现电流的各种形式统称为气体放电。
气体击穿：由于外施电压升高，电流突然剧增，气体失去绝缘性能。
气体由绝缘状态突变为良导电态的过程，称为击穿。
沿面闪络：当击穿过程发生在气体与液体或气体与固体的交界面上时，称为沿面闪络。
气体放电的基本形式包括：1、电晕放电（局部放电）；2、辉光放电；3、电弧放电；4、火花放电。
气体击穿后的放电形式受气体压力、电源功率、电极形状等因素的影响。
1、电晕放电：随着电压升高，在电极附近电场最强处出现发光层。
发生电晕放电时，气体间隙的大部分尚未丧失绝缘性能，放电电流很小，间隙仍能耐受电压的作用。
2、辉光放电：当气体压力不大、电源功率很小（放电回路中串入很大阻抗），外施电压增到一定值后，回路中电流突增至明显数值，管内阴极和阳极间整个空间出现发光现象。
气体放电的基本原理与应用探究
气体放电的基本原理与应用探究气体放电是一种电现象，其起源是气体分子在电场作用下受到激发和电离。
气体放电现象广泛存在于生产、生活、研究等各个领域。
气体放电被广泛应用于灯泡、电视、医学、工业、航空航天等领域。
本文分别从基本原理和应用两个方面进行探究。
一、气体放电的基本原理气体放电是一种特殊的电现象，它是由于气体分子在电场作用下获得能量后发生电离并形成电流的现象。
气体放电有多种类型，如直流气体放电、交流气体放电、脉冲气体放电、空间气体放电等，其中最常见的是直流气体放电。
1、电离气体放电的前提是气体分子电离。
当气体分子获得足够的能量时，就可能发生电离现象，电子从原子或分子中被剥离出来。
电子是一种负电荷的微粒子，被剥离出来后，就可以在气体中自由运动。
气体分子的电离有两种情况：一种是电子从气体分子中脱离，成为带负电荷的自由电子；另一种是气体分子失去部分电子，变成带正电荷的离子。
2、电场作用当在气体中建立电场时，电荷在电场力的作用下就会受到约束向某个方向运动。
在气体中，由于带正电的离子和带负电的电子的数量相等，因此，它们会受到电场的作用而向着相反的方向运动。
这时，正负电荷的运动方向相反，就形成了电流。
3、电晕放电电晕放电是一种特殊的气体放电现象，是指在不产生弧光的情况下，通过高电压和低电流将气体电离所产生的电子和离子加速，使它们具有足够的能量发生反弹，并再次与气体分子碰撞，从而使气体分子产生有效的激发电离。
电晕放电主要发生在电极表面上，其放电特性与电极形状、电场强度、气体种类和压力等因素有关。
二、气体放电的应用气体放电由于其稳定、可控、便捷等特点，已经被广泛应用于医学、工业、冶金、生产等众多领域。
1、灯具气体放电在灯泡的制造中得到广泛的应用。
最常见的一种是荧光灯，它采用高压电场使稀薄的气体放电发光，以此来发出明亮的光线。
其他的一些小灯泡也是用气体放电来制造的。
2、宇航技术气体放电不仅在地球上使用得很广泛，在宇航技术中也有广泛的应用。
气体放电原理
气体放电原理
气体放电是指当气体中的电子和离子获得足够的能量时，发生放电现象的过程。
其原理涉及到气体的电离和电子的碰撞等基本物理过程。
气体电离是指在电场的作用下，气体中的原子或分子失去电子成为正离子和自由电子的过程。
当电场强度足够大时，气体中的原子或分子受到电场的力，电子被加速并获得足够的能量，从而发生电离，形成正离子和自由电子。
电子的碰撞是指在气体中，自由电子与离子或原子之间发生的碰撞过程。
电子在碰撞过程中会失去能量，导致其速度减小。
当碰撞速率和电子再次获得能量的速率达到平衡时，电子的速度将保持稳定。
在气体放电过程中，电子和离子受到电场的作用而产生加速，当它们的能量达到一定程度时，就会引发碰撞电离，进而导致更多的电离。
这种连锁反应会引起电流的流动，形成可见的放电现象，如闪电、辉光灯等。
不同的气体放电现象具有不同的特点和应用。
例如，闪电放电具有极高的能量和电流，可破坏设备和引起火灾。
辉光灯则是通过控制气体放电来产生可见光，用于照明和显示等领域。
总之，气体放电现象是通过电场作用下的电离和碰撞过程实现的。
这一原理在各种领域的应用中发挥着重要的作用，从科学研究到工业应用都有广泛的应用价值。
气体放电
气体放电现象及应用学习目的：根据课程所学及实际应用，了解气体放电的原理和气体放电的现象和形式、影响因素及伴随的效应。
引言：在现实生活中我们会遇到很多气体放电的现象，有的时候我们会觉得不可思议，其实这些现象都是能用科学来解释的。
科学家们通过对他们的研究，把这些现象的原理应用在我们的生活中，给我们带来了很多益处，在经过科学家的进一步研究后将会给我们带来更大的益处。
那么什么是气体放电呢？它发生的形式及现象又是什么呢？我们将如何应用呢？１.简述气体放电的原理干燥气体在正常状态下是不导电的，是良好的绝缘介质，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为电的导体。
这时若在气体中安置两个电极并加上电压，气体在强电场作用下，少量初始带电粒子与气体原子（或分子）相互碰撞，当碰撞能量超过某一临界值时，会使束缚电子脱离气体原子而成为自由电子。
逸出电子后的原子成为正离子，使气体中的带电粒子增殖，这时有电流通过气体，这个现象称为气体放电。
气体放电的根本原因在于气体中发生了电离的过程，在气体中产生了带电粒子。
气体电离的基本形式有：（１）碰撞电离在电场作用下，那些散在气体中的带电粒子（电子或离子）被加速而获得动能，当它们的动能积累到一定数值后，在和中性的气体分子发生碰撞时，有可能使中性的气体分子发生电离，这种电离过程称为碰撞电离。
在碰撞电离中，由于电子的尺寸小、重量轻，其平均自由行程也较大，所以在电场中容易被加速并积累起电离所需的能量。
因此，电子是碰撞电离中最活跃的因素，它在强电场中产生的这种碰撞电离是气体放电中带电粒子极为重要的来源。
（２）光电离由光辐射引起的气体分子的电离称为光电离。
光子的能量与光的波长有关，波长愈短，能量愈大。
各种短波长的高能辐射线如宇宙射线、r射线、x射线以及短波紫外线等都具有较强的电离能力。
（３）热电离因气体热状态引起的电离过程称为热电离。
所有的气体都能发出热辐射，这也是电磁辐射。
在高温下，热辐射光子的能量达到一定数值即可造成气体的热电离。
气体放电学原理
气体放电学原理1.碰撞,激发与电离1). 碰撞碰撞分为弹性碰撞与非弹性碰撞, 弹性碰撞只改变电子及分子的运动方向, 非弹性碰撞则引起原子的激发与电离.2). 潘宁效应: Penning Effect若A, B分别为不同种类的原子, 而且, 原子A的激发电位大于原子B的电离电位, 当受激原子A与基态原子B碰撞后,使基态原子B电离,受激原子A的能级降低或变为基态原子A,这种过程称为潘宁碰撞或潘宁效应. 例如: Ne的亚稳态激发电位是16.53V, 大于Ar的电离电位15.69V.3). 电离前的管内电流电压变化原理 (瞬间变化)当电压逐渐增加时,电流逐渐增加; 电压增加到一定程度时, 开始有原子被激发, 电子能量被转移, 此时电流反而减小; 当电压继续增加时, 电子能量继续增加, 电流再次增大.4). 激发与电离规则有效碰撞面积越大, 激发与电离的几率越大电子的运动速度越大, 激发与电离的几率越大; 但电子速度到一定程度时, 来不及与原子发生能量转移, 激发与电离的几率反而减小. 当电子速度非常大时, 激发与电离的几率再次增加.5). 特殊形式的激发与电离∙光致激发与光致电离∙热激发与热电离: 在辉光放电中, 原子热运动很小, 热电离和热激发作用极其微弱,可以忽略; 但在高压气体和超高压气体中的弧光放电, 热电离和热激发过程就必须考虑. 温度越高, 激发和电离越多.∙放射性射线引起的激发和电离α射线引起的电离: 相当于高速正离子和气体的第一类非弹性碰撞,电离能力很大.β射线引起的电离: 相当于高速电子和气体的第一类非弹性碰撞,电离能力较弱.γ射线引起的电离: 相当于能量很大的光引起的光致电离, 穿透力极强,对气体电离作用十分显著.6) 带电粒子的消失带电粒子的消失有两种: a. 带电粒子的复合 b. 带电粒子在外电场作用下跑上电极而消失.带电粒子的复合有空间复合与管壁复合.空间复合: 正负粒子在放电空间相互作用而形成中性粒子,包括电子复合及离子复合.管壁复合: 放电熄灭后,管内电极电位与管壁相同,电子与正离子会从放电空间跑上管壁及电极表面, 并且复合, 这一过程称为管壁复合.7) 汤生电子繁流(电子雪崩)理论电子从阴极跑向阳极的路程中,不断与气体原子发生碰撞电离,新产生的电子也向阳极运动产生更多的电子,电子越来越多, 电子流迅速增长的过程叫做电子繁流或电子雪崩.α: 汤生第一电离系数, 代表电子对气体的空间电离.β: 正离子的空间电离系数, 代表离子对空间气体的电离.γ: 正离子的表面电离系数, 汤生第二电离系数. 代表正离子轰击阴极表面,使阴极逸出二次电子.8) 巴邢(Paschen)定律在其它条件不变时, 击穿电压(着火电压)Ub不是单独地与压强P或极间距d有关,而是与Pd的乘积有关. 随着Pd由小到大, Ub先下降而后上升, 存在一个最小值Umin.A, B是取决于气体种类的常数, C可以看作常数.除了Pd以外, 影响击穿电压(着火电压)的其它因数有:a.气体的种类和成分当基本气体加入少量的杂质气体,即使含量很少,也将明显的改变击穿电压(着火电压).当杂质气体电离电位小于基本气体的亚稳态激发电位,由于潘宁效应,将使击穿电压降低.例如氢氮混合气体, 当基本气体氮掺入不同含量的杂质气体氢时, 可使混合气体的击穿电压有不同程度的降低.气体比例不同击穿电压也不同.在惰性气体中混入双原子分子杂质气体, 往往会使击穿电压升高. 因为双原子分子吸收碰撞能量转换为能级能量或分解,而没有发生电离.b.电极材料和表面状况电极材料主要通过γ系数影响击穿电压.若阴极逸出功低, 则γ较大, 相应的击穿电压也较低. 阴极表面状况对击穿电压也有影响.气体放电管的老化过程就是为了清洁电极表面和纯化工作气体,使击穿电压由极不稳定变为比较稳定.c.电极分布的影响电极的形状应该有利于强电场的形成,以便快速形成击穿电流运动轨迹,制造雪崩放电.d.外界电离源9) 罗果夫斯基理论在电子繁流(电子雪崩)过程中, 电子向阳极运动, 越靠近阳极新产生的电子和正离子越多. 电子速度快,很快跑上阳极消失,而正离子移向阴极的速度很慢, 这样在阳极前面就形成正空间电荷,改变电极间的电位分布,相当于阳极往阴极方向移动.从而电场增强,电离系数α, β和γ也增加了.10) 气体放电种类稳态放电: 辉光放电, 弧光放电, 电晕放电非稳态放电: 低频交流放电, 火花放电, 高频放电和脉冲放电2.气体放电过程1). 气体放电的过程OAB: 无声非自持放电, 没有电子碰撞电离发生BC: 非自持暗放电, 部分电子获得足够的能量引起电子碰撞电离, 放电电流明显增大, 发光很微弱.CD: 由非自持放电过渡到自持放电, C点称为击穿电压(着火电压).EF: 辉光放电, 是一种稳定的小电流自持放电(10-4 ~ 10-1A).FG: 反常辉光放电, 管压很高, 阴极发生强烈的溅射.HI~ In: 弧光放电, 放电电流猛增, 是一种稳定的大电流自持放电, 电流在10-1A以上, 发出比辉光放电强烈得多的光辉.2). 气体放电的维持条件管内条件: 气体成分, 气体压力(密度), 电极形状和位置, 电极材料与表面状况,电流密度等.管外条件: 电源极限功率, 限流电阻R, 外致电离源等.如图中所示, R1>R2, 根据负载线可以看出, R1只有一个交点产生不稳定的暗放电, R2则能有机会产生稳定的弧光放电.3.辉光放电1)正常辉光放电辉光放电是一种高电压低电流的自持放电,阳极发射电子主要靠正离子轰击阴极表面的 过程.放电时管内出现明暗相间的辉光.辉光放电时的管压降比击穿电压(着火电压)低得多.正柱区: 电子和离子浓度很大,而且相等, 称为等离子区.由于带电粒子浓度很大,导电能力很强,因此就像导体一样在气体放电中起着传导电流的作用.负辉区最亮.对于维持放电来说,最重要的是阴极区.从阴极发射出来的电子,仅在阴极区引起电子繁流(电子雪崩), 电子增长在阴极暗区最强.2)反常辉光放电当阴极发射电子面积占满了整个阴极后,若再要增加电流,就必须增加电流密度, 而要增加电流密度又必须增加阴极位降.我们把阴极位降随电流密度而增加得辉光放电叫反常辉光放电.在反常辉光放电中,电流密度越大, 阴极位降越高,阴极位降区的功率损耗越大,在阴极表面产生严重的溅射现象.阴极溅射的一些规律:∙轰击的正离子质量越大,溅射越厉害∙被溅射的颗粒沿直线向各处飞散∙电流密度越大,溅射越厉害∙阴极位降越大,溅射越厉害∙气压越高,阴极溅射越小∙阴极材料不同,溅射不一样4.弧光放电1)弧光放电弧光放电包括热阴极放电和冷阴极放电.∙热阴极: 单独被加热的阴极或被反常辉光放电加热到高温的由难熔材料做成的自持热阴极,阴极上产生强烈的热电子发射,由辉光放电到弧光放电可能是逐渐的过渡曲线.∙冷阴极: 对于铜,铁等自持冷阴极,易蒸发,导热性能好,阴极温度不可能很高,其电子发射一般是场致发射.弧光放电空间可以分为: 阴极区, 阳极区和作为电流导通的等离子区.2)弧光放电的阴极现象在反常辉光放电中,高速正离子轰击阴极,阴极温度陡然升高产生强烈电子发射.这时的阴极发射逐渐地集中到阴极的小部分区域,该处逸出功最小,温度最高, 叫做阴极斑点. 对于阴极来说,阴极斑点一般是不变的.3)弧光放电的正柱区现象正柱区是等离子区域,在该区域内电子数和正离子数是相等的.对于HID来说,由于电子与高密度气体的频繁碰撞,使气体温度升得很高,并且分布不均匀.管轴气体5000~10000K, 管壁气体一般小于1000K, 径向温度梯度达到几千度/毫米. 管轴带电粒子向管壁扩散,由于管壁冷区气体密度大,迁移率小,向管壁扩散的带电粒子对电流的贡献可以忽略.从而有大量的带电粒子在管壁附近复合,因此, 在正光柱周围高密度气体代替管壁起到限制正柱区的作用.正光柱有一个最佳半径: 如果正光柱很粗,电流密度小,气体温度低,电离度小,导电率小,要维持电流就需要加大电场;如果正光柱很细,气体温度高,电离度大,导电率大,但截面积小而不能维持足够的电流,也必须加大电场.4)弧光放电的阳极现象(略)5.技术名词1)光通量: 流明lm单位时间dt内通过单位面积ds的光能量Φ.Φ = Q / dsdt.2)光强度光源在给定方向的单位立体角Ω中发射的光通量.I = Φ / Ω.3)光出度光源单位面积上向半个空间内发出的光通量.M = Φ / S.4)光照度投射在被照物体单位面积上的光通量.E = Φ / S.5)光亮度光源在某一给定方向上的单位投影面上、在单位立体角中发射的光通量.L( ϕ, θ ) = Φ (ϕ, θ ) / S ⋅ cosθ⋅Ω.6)光效: 流明/瓦lm/w.光源所发出的光通量Φ和该光源所消耗的电功率P之比.η= Φ / P.7)显色指数: 百分比%.光源照射在物体上时,使被照物体的颜色再显现出来的能力8)色温: 度K黑体发光是连续光谱, 光谱分布仅仅由温度决定, 就是说知道黑体的温度就等于知道了它的辐射光谱分布. 这种与光谱分布或颜色相关的黑体温度称为色温.9)相关色温: 度 K气体放电光源的光谱能量分布不是连续光谱, 因此不能称色温.光源所发出的光谱与黑体在某一温度下发射的光谱最接近, 我们称黑体的这一温度为该光源的相关色温. 详细解释见下表.10)金卤灯的最小电压随着灯的点燃启动，灯电压从电源电压（220V）很快下跌到12-20V左右，这是冷态灯的启动特性。
热辐射光源和气体放电光源
热辐射光源和气体放电光源
热辐射光源和气体放电光源是两种常见的光源类型。
它们在不同的应用场景中发挥着重要的作用。
热辐射光源是指通过加热物体使其发出光线的光源。
这种光源的特点是发光强度高、光谱连续、色温高。
常见的热辐射光源有白炽灯、卤素灯等。
白炽灯是一种传统的照明光源，它的发光原理是通过加热钨丝使其发出光线。
白炽灯的光谱分布比较宽，色温较低，适合用于一些需要柔和光线的场合。
卤素灯是一种新型的照明光源，它的发光原理是通过加热卤素元素使其发出光线。
卤素灯的光谱分布比较窄，色温较高，适合用于一些需要高亮度光线的场合。
气体放电光源是指通过在气体中加电使其发出光线的光源。
这种光源的特点是发光强度高、光谱窄、色温低。
常见的气体放电光源有荧光灯、氙气灯等。
荧光灯是一种常见的照明光源，它的发光原理是通过在荧光粉内加电使其发出光线。
荧光灯的光谱分布比较窄，色温较低，适合用于一些需要节能环保的场合。
氙气灯是一种高亮度的光源，它的发光原理是通过在氙气中加电使其发出光线。
氙气灯的光谱分布比较窄，色温较低，适合用于一些需要高亮度光线的场合。
总的来说，热辐射光源和气体放电光源各有其特点，应用场景也不同。
在选择光源时，需要根据具体的需求来选择合适的光源类型。
气体放电原理
气体放电原理干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为电的导体。
这时如在气体中安置两个电极并加上电压，气体在强电场作用下，少量初始带电粒子与气体原子（或分子）相互碰撞，当碰撞能量超过某一临界值时，会使束缚电子脱离气体原子而成为自由电子。
逸出电子后的原子成为正离子，使气体中的带电粒子增值，这时有电流通过气体，这个现象称为气体放电。
依气体压力、施加电压、电极形状、电源频率的不同，气体放电有多种多样的形式。
主要的形式有暗放电、辉光放电、电弧放电、电晕放电、火花放电、高频放电等。
气体放电的基本物理过程气体放电总的过程由一些基本过程构成，这些基本过程是：激发、电离、消电离、迁移、扩散等。
基本过程的相互制约决定放电的具体形式和性状。
汤生放电理论一种描述低气压（约104帕以下）条件下气体击穿的理论。
在极间电场足够大时，电子在电场中获得足够能量使气体粒子产生激发和电离，新生的电子和离子在电场作用下又获得能量产生激发和电离，以致电子向阳极运动过程中带电粒子浓度按指数规律增长，这种现象称电子雪崩或电子繁流。
在这过程中所产生的正离子向阴极运动，又会使阴极产生二次电子发射，又增长了电子繁流过程，直至所产生的二次电子发射等于初始电子发射，此时即使撤离外致电离源也能维持放电，由此推得放电自持的条件是：γ(eαd-1)=1，其中γ是正离子轰击阴极的二次电子射系数，α是电子在电场方向运行单位距离所产生的电离数，即电离系数，d是极间距离。
等离子体概念等离子体又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。
等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。
气体放电光源的发光原理
气体放电光源的发光原理
气体放电光源是一种常见的光源，它的发光原理是通过电子在气体中的碰撞激发气体分子或原子，使其处于激发态，当它们回到基态时，会释放出能量，产生光辐射。
气体放电光源的发光原理可以分为两种类型：辉光放电和电弧放电。
辉光放电是指在低压下，电子与气体分子或原子碰撞，使其处于激发态，当它们回到基态时，会释放出能量，产生光辐射。
这种放电形式产生的光谱是离散的，具有特定的谱线，可以用于分析气体成分。
电弧放电是指在高压下，电子与气体分子或原子碰撞，使其处于激发态，当它们回到基态时，会释放出能量，产生连续的光谱。
这种放电形式产生的光谱是连续的，可以用于照明和加热。
气体放电光源的发光原理与气体的种类、压力、电流密度等因素有关。
不同的气体放电光源产生的光谱也不同。
例如，氢气放电光源产生的光谱主要是氢原子的谱线，氦气放电光源产生的光谱主要是氦原子的谱线和氦离子的谱线。
气体的压力和电流密度对放电光源的发光强度和光谱分布也有影响。
在一定范围内，增加气体压力和电流密度可以增强放电光源的发光强度和改变光谱分布。
气体放电光源广泛应用于照明、显示、激光、光谱分析等领域。
例如，氖气放电光源可以用于制造霓虹灯；氙气放电光源可以用于制造车灯和激光器；气体放电光源还可以用于分析气体成分和检测污染物等。
气体放电光源的发光原理是通过电子在气体中的碰撞激发气体分子或原子，使其处于激发态，当它们回到基态时，会释放出能量，产生光辐射。
不同的气体、压力和电流密度会影响放电光源的发光强度和光谱分布。
气体放电光源在照明、显示、激光、光谱分析等领域有着广泛的应用。
气体放电基础知识
气体放电基础知识气体击穿理论气体介质是电力系统和电气设备中常用的绝缘介质。
如：空气、 CO2、 N2、SF6、混合气体等。
当电场强度达到一定数值后，气体会失去绝缘能力，从而造成事故。
为了能正确构成气体绝缘，就需要了解气体中的放电过程。
本章着重介绍气体击穿的一些理论分析，如：带电质点的产生、运动和消失的规律；气体击穿过程的发展等。
第一节气体放电主要形式什么是气体放电：气体中出现电流的各种形式统称为气体放电。
处于正常状态并隔绝各种外电离因素作用的气体是完全不导电的。
气体中存在少量带电质点（紫外线、宇宙射线作用，500-1000对/立方厘米正、负离子），在电场作用下，带电质点沿电场方向运动，形成电流，所以气体通常并不是理想绝缘介质。
由于带电质点极少，气体的电导也极小，仍为优良的绝缘体。
击穿：当提高气体间隙上的外施电压而达一定数值后，电流突然剧增，从而气体失去绝缘性能。
气体这种由绝缘状态突变为良导电态的过程，称为击穿。
沿面闪络：当击穿过程发生在气体与液体或气体与固体的交界面上时，称为沿面闪络。
击穿电压：气体击穿的最低临界电压称为击穿电压。
击穿场强：气体发生击穿时的电场强度称为击穿场强。
气体放电形式根据气体压力、电源功率、电极形状等因素的不同，击穿后气体放电可具有多种不同形式：1、辉光放电2、电弧放电3、火花放电4、电晕放电1、辉光放电当气体压力不大、电源功率很小（放电回路中串入很大阻抗）时，外施电压增到一定值后，回路中电流突增至明显数值，管内阴极和阳极间整个空间出现发光现象。
这种放电形式称为辉光放电。
辉光放电的特点：电流密度较小，放电区域通常占据整个空间；管端电压较高，不具有短路的特性。
注意：辉光放电仅发生在气压较低的情况下2、电弧放电随着外回路中的阻抗减小，电流增大。
当电流增大到一定值后，放电通道收细，且越来越明亮，管端电压则更加降低，说明通道的电导越来越大，这时的放电形式称为电弧放电。
电弧放电的特点：电流密度很大，管端电压很低，具有短路的特性。
激光器件-第一章气体放电的基本原理
非弹性碰撞在确定气体放电的电参量和光参量中起 主要作用，如电子温度或能量、电子密度、受激能 级的粒子数分布等。
2020/4/1
激光器件原理与设计
4
第一章 气体放电的基本原理
（2）碰撞能量转移
A. 弹性碰撞
特点：碰撞前后动能和动量不变
f(υ):速度分布函数。0σ(υ): 碰撞截面是相对速度的函 数
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激光器件原理与设计
10
第一章 气体放电的基本原理
二、激发与电离：气体放电中重要的基本物理过程。
当中性气体粒子(如原子)与其他粒子(如电子、正离 子、光子等)发生碰撞时，原子中的价电子吸收外来 粒子的能量，从原来的能级跃迁到较高的能级上去， 我们说这个原子被激发，称其为受激原子。
降低。
➢
b. 亚稳态原子和谐振辐射扩散使受激原子寿命
增加，使逐次激发和逐次电离的概率增加。
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激光器件原理与设计
17
第一章 气体放电的基本原理
（4）电子与正离子碰撞引起的激发和电离
➢
激发 e +A+→e+(A+)’
➢
电离 e +A+→e+A+++e
➢
结论：此过程要求电子有很高的能量。
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3. 扩散运动
带电粒子在电离气体中的密度分布是不均匀 的，因密度差造成的带电粒子的定向运动。
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激光器件原理与设计
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第一章 气体放电的基本原理
➢ 电子扩散系数
De
1
频闪光源工作原理
频闪光源工作原理引言：频闪光源是一种常见的光源，它通过频繁的开关电路来产生高频闪烁的光线。
频闪光源常用于照明、摄影和视觉检测等领域。
本文将详细介绍频闪光源的工作原理及其应用。
一、频闪光源的构成频闪光源由光源、电源和控制电路组成。
光源通常采用气体放电管或半导体发光二极管(LED)。
电源提供电能，控制电路则用于控制光源的频率和亮度。
二、频闪光源的工作原理频闪光源通过频繁的开关来控制光的亮灭。
其工作原理可以分为气体放电和电流调制两种方式。
1. 气体放电方式气体放电方式是最常见的频闪光源工作原理。
它利用气体放电管中的气体在电场作用下发生放电，产生光线。
具体过程如下：（1）气体放电管中充满了惰性气体，如氙气、氩气等。
（2）当电源施加高压电时，气体放电管中的气体开始电离，电子与气体原子碰撞激发，产生发光。
（3）控制电路按照设定的频率和亮度，通过开关电源来控制气体放电管的工作状态，从而控制光线的闪烁。
2. 电流调制方式电流调制方式是利用LED的特性进行频闪控制。
LED是一种半导体材料，具有发光的特性。
具体过程如下：（1）LED通过控制电流的大小来调节亮度。
当电流通过LED时，电子与空穴结合，产生光子，从而发光。
（2）控制电路通过调节电流的频率和大小，来实现频闪的效果。
三、频闪光源的应用频闪光源由于其频繁的光亮和熄灭，使其在许多领域有着广泛的应用。
1. 照明领域在照明领域，频闪光源常用于舞台灯光、闪光灯和紧急灯等。
频闪光源的闪烁效果可以提高视觉效果，增加观众的注意力。
2. 摄影领域频闪光源在摄影领域也有着重要的应用。
闪光灯就是一种常见的频闪光源，它可以通过闪烁的光线提供额外的光源，使得拍摄的对象更加明亮。
3. 视觉检测领域频闪光源在视觉检测领域也被广泛应用。
它可以通过频繁的光亮和熄灭，提供连续的光源变化，用于检测和观察快速运动的物体。
4. 其他领域除了以上应用外，频闪光源还可以用于信号传输、显示屏幕、安全警示等领域。
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光源原理与设计—气体放电的基本原理
诸定昌
二. 线光谱
hνnm =En -Em =e△Vnm =hc/λnm λnm=1239/△Vnm
E
△V→V
λnm→nm
hγmn
En
Em
E0
hγn0
光源原理与设计—气体放电的基本原理
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1. 不同元素的能级不同，其辐射的波长不同 →选择性强 2. 共振辐射的效率(特别是第一共振态)最高 3. 能级之间的跃迁服从选择定则 4. 线光谱辐射的功率密度Pnm
1 nn BnmρB(ν) hνProf.ν 4π 1 = c nn Bnm LνB hνProf.ν
6
c ρB(ν) 其中： LνB = 4π
εν s c2 由5和6得： i = εν 2hν
3
LνB
7
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平衡下：
1 nn Anm hνProf.ν 4π 1 + nn Bnm LνB hνProf.ν c 8
诸定昌
b)色散型(洛仑兹力)轮廓 γ 1 Prof.ω= 2π 2 ( γ) (ω- ω0) + 2 c)高斯型轮廓 Prof.ω=( 4Ln2) exp[πγ 2
1 2
2
4Ln2(ω- ω0) γ2
2
]
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二.谱线的自然宽度
t→t+dt dnn=- Anm nn dt
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εν εν +εν
Kν LνB e = Kν LνB
- hν
KT
=e
- hν
KT
13
二. 辐射转移方程
dLν(x)= εν(x)dx- Kν (x)Lν(x)dx dLν(x) =εν(x)- Kν (x)Lν(x) dx
单位面积 Lν(x) Lν(x+dx) Lν(x0) 0 x x+dx x0
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Reference:
1.W.Newman: Spectrosopic Methods of Plasma Diagnostics 2.统计物理学导论
3.原子光谱学和激发光谱学
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4.3 辐射转移
光源原理与设计—气体放电的基本原理
+Lν(0) exp(-∫
5
光源原理与设计—气体放电的基本原理
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三. 以光性厚度为变量的辐射转移过程 x0 ν 定义： τ＝∫ Kx(x’)dx’
为x→x0区间的光性厚度
辐射转移方程1可写为： dLν(x) dLν(x) dτ dx ＝ dτ dx dLν(x) [-Kν(x)] ＝ dτ =εν(x)- Kν (x)Lν(x)
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定义 Pnm =nn Anm hνnm Anm 从n→m跃迁几率 LTE下 nn由Boltzmann分布描述 gn En nn =n0 g0 exp() KT gn En Pnm=n0 g0 Anm hνnmexp(- KT) Pnm：压力p(n0)，温度 T，能级性质(En,Anm)
1 -1
3
Bnm
gmBmn =gnBnm
3
2光谱的发射系数
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定义： εν =
d4 E dtdVdΩdν
i
s εν = εν +εν
4
自发辐射 感应辐射
有： εν =
s
1 nn Anm hνProf.ν 4π
5
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对应：
εν i=
i
KL =∫line Kν dυ=
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i ～ 若把εν看作负吸收，有总的吸收系数Kν s εν +εν= i Kν
LνB平衡下：
～ LνB=εs Kν
i
～ LνB＝ Kν LνB－ εν 所以： Kν
1 = nm Bmn LνB hνProf.ν c 1 nn Bnm LνB hνProf.ν c
1
Lν(0)
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1.εν(x)=0
dLν(x) = - Kν (x)Lν(x) dx dLν(x) = - Kνdx Lν(x) 在 0→x和 Lν(0) → Lν(x)间积分 Lν(x)= Lν(0) exp(-∫
x Kν0 (x’)dx’)
2
3
离开等离子体的辐亮度：
诸定昌
四.谱线的压力放宽
1.定义：受激原子受其它粒子的碰撞作用，使 辐射状态受干扰而产生的谱线放宽称压力放 宽。
a)共振放宽：同种原子对激发态原子的干扰 b)范德瓦尔斯放宽：不同种类原子对激发态原 子的干扰 c)斯塔克放宽：带电粒子对激发态原子的干扰
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2.轮廓的类型 →色散型 a)Lorentz理论：干扰下停止辐射 b)Lentz-Weisskof理论：干扰时辐射的 频率发生变化 c)Lindholm理论：干扰时相位产生位移
Lν(x0)= Lν(0) exp(-∫
x0 Kν(x’)dx') 0
4
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2.εν(x)≠0
设试解： x Lν(x)= u(x) exp(-∫ Kν(x’)dx’) x0
代入后解得：
Lν(x0)= ∫ε
x0 ν(x)dx 0
exp(-∫
x0 Kν(x’)dx’) x x0 Kν(x’)dx’) 0
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dLν(x) dτ
= Lν(x) -
εν(x)
Kν (x) 6
3
= Lν(x) -Sν(x)
Sν(x)=
εν(x)
Kν (x)
2 hν = c2
e
hν KT
1 -1
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代试解：Lν(τ)＝u(τ)e
τ
Lν(τ)＝[-∫
S dτ’ τ(ν,0)ν(τ’)e
2. 辐射光谱可选择
3. 寿命大大高于热辐射光源，光维持性好 4. 基本矛盾 η-Ra 光谱放宽
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4.2 光谱线的轮廓和放宽
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一.光谱线的轮廓
Iλ
光强度在一定波长区内 都有分布的现象，称光谱线 的放宽。其分布的形状就称 为谱线的轮廓。
当v=0时
1 mv2 2 e e hγ hγ0
Ei-Em ν0 = h c) 辐射总功率
为频率下限
Pcr∝Z
4
2 -3/2 ne Te
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2. 轫致辐射(f-f跃迁)
→ +→A++e+△E e+A a) h ν=
1 me(Ve 2 -Ve’ 2) 2
b) 可证 Pcb ∝Z 2 ne2 Te -1/2
Iλ=It*Prof. λ
∫Iλdλ=∫ItProf.λdλ=It∫Prof.λdλ=It ∫Prof.λdλ=1
→“归一化”性质
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以频率ν表示 c Prof.ν= 2 Prof.λ ν 以ω表示 1 Prof.ω= Prof.ν 2π
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Lν
1 = nm Bmn LνB hνProf.ν c 光谱的吸收系数： 定义： ν= K
x
x+dx
L’ν
dLν Lνdx
其中 dLν=L’ν-Lν
光源原理与设计—气体放电的基本原理
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物理意义：Lν(x) =Lν(0)e
-Kx
Lν(0) 0
Lν(x) x x0
由基尔霍夫定律： εν 2 hν LνB = = Kν c2
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1 = nmBmn LνB hνProf.ν(1c = Kν LνB(1-e
hν - KT
nnBnm ) nmBmn
11
)
nn g n exp(- hν ) = nm g m KT gmBmn =gnBnm
～ LνB =Kν LνB(1-e Kν
- hν
)KT
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5. 可见辐射的△E范围
△E＝ En-Em λ△E＝1239 λ＝380～780
△E＝1.7ev(780nm)～3.2ev(380nm)
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三. 分子的带状光谱
E＝Ee＋Ev＋Er
△E＝△Ee＋△Ev＋△Er
△E = h h △Ee＋△Ev＋△Er
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3.连续光谱产生的特点 a)高气压大电流密度放电下，有强的连续光谱
b)放电蒸汽元素的Z越大，连续光谱越强，且 以复合辐射为主
c)高温下，连续光谱以轫致辐射为主高
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五. 气体放电光源辐射的特点
1. 工作温度不受灯丝材料性质的限制
→ +A→A+△E e
1 meve a) h ν=△E =Ei-Em+ 2 Ve=0～∞→为连续谱
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