第4章改 气体放电原理

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: if no 电场 or 磁场作用，带电粒子只作无规则热运动
分析B点：if I 增加∆I→B’ V0 = Vl (VB’G) + I’R (VDC) – VB’C 可见电压不足， ∴I将下降，回到B点。∴ B是稳定工作点。
第二种分析方法：
在交点A,B处作曲线a切线,则 A,B点灯的内阻Ri为 : (dV/dI)A = -tgΦ1 (dV/dI)B = -tgΦ2
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
主要内容:

4-1 气体放电的基础知识 4-2 气体放电的辐射 4-3 谱线的放宽 4-4 气体放电灯的稳定工作
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

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：FED display（场致发射显示）
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。
回路总阻抗：
dV/dI + R = Ri + R 由于Φ1> α>Φ2 即 tgΦ1> tgα> tgΦ2 ∴- tgΦ1+ tgα=RiA+R<0
- tgΦ2+ tgα=RiB+R>0
即 A点总阻抗为负， B点总阻 抗为正。 ∴ B是稳定工作点。
4.5 气体放电灯的稳定工作
电感镇流
Vn2 = Vl2 + VL2
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。
二、巴邢定律和潘宁效应(启动）
1.
① ② ③ ④ ⑤
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
2.
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)
气体放电的形成和分类
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
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
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
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。
一般气体放电灯高频工作光效可提高10%
变化。 电子动能 ，体系内能 A* + e + ∆E A+ + e + e + ∆E e而去激发。体系内能 态易发生。 e + A - ∆E 原子处于亚稳
第一类非弹性碰撞：由于e碰撞造成原子激发或电离。
激发：e + A 电离：e + A
第二类非弹性碰撞：被激发的原子和e 碰撞，前者内 能交给
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（10-2 s)
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 + ∆E e + A* A+ + e + e + ∆E 2.产生潘宁效应，有利于灯的启动。 A* + B A + B+ + e + ∆E ( if V A* > V B+)
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：if I 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。
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
1. 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
优点：
比电阻减少功率损失 使灯更稳定工作 成本低
缺点： 噪声大 能耗高
4.5 气体放电灯的稳定工作
4.5.4 电容镇流 优点：
1）自身功耗低，效率几乎100%； 2）温度不会升高，不用冷却； 3）无叫声，体积小，轻。
缺点：
低频时有瞬间尖峰电流，灯闪，缩短灯寿命；功率因数低。
镇流器适用范围：
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、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。
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；
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
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： ① 电流大，阴极位降小(低电压，大电流） ② 高压时阴阳极及气体温度高 ③ 低或高气压均可产生弧光放电
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1/2 mv2 的e相碰， 当1/2 mv2 < evr时，发生弹性碰撞；当1/2 mv2 > 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 + A A* + e + ∆E
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。。。
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!
ห้องสมุดไป่ตู้
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。

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

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Φ ev， Φ就成阴极的逸出功。
4-1

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
巴邢曲线 解释：为何
① Pd过小
② Pd过大
都难于启动？
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：
( if V A* > V B+)

电离过程：
> evi时， 电离 A+ + e + e + ∆E
1/2 mv2
电离：e + A
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/ ∆v nm 由此可知： ① 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； ② 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, 6.7 λ = 253.7, 185.0； ③ 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。。。
直流---电阻镇流；低频---电感镇流； 高频---电容镇流