光源知识培训气体放电的基本原理

光源原理与设计—气体放电的基本原理
诸定昌
三. 分子的带状光谱
E＝Ee＋Ev＋Er △E＝△Ee＋△Ev＋△Er
△E △Ee＋△Ev＋△Er
ν=
=
h
h
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以△E e为主 分辨率不高时，为带状光谱 分辨率高时，有很多条谱线
大部分光谱在可见区及紫外区→Ra
气体放电灯矛盾：光效和显色性 热辐射光源矛盾：光效和寿命
1. 工作温度不受灯丝材料性质的限制 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
△λh
都有分布的现象，称光谱线 的放宽。其分布的形状就称 Iλmax
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
Τnm为跃迁的时间常数，是Anm的倒数
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海森伯(Heisenberg)测不准原理
△E△τnm=h/2π=h
1.定义：激发态原子寿命的不确定性引起能量的 不确定性，由此造成的谱线放宽称自然宽度。
2.轮廓类型→色散型
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三.谱线的多普勒放宽
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E
四. 连续光谱
1. 复合辐射（f-b跃迁）
1 meve2 2
Ei Em
→e +A→A+△E
2
a) h ν=△E =Ei-Em+
1 2
meve
Ve=0～∞→为连续谱
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b) 连续谱的特征
因为慢电子浓度高(maxwell)而且更容易与
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1.定义：多普勒放宽
V
静止：ν 0 =
c λ0
θ Vx 观察者
运动：ν =
c+vx λ0
=
c λ0
+
vx λ0
= ν 0+ ν 0
ν-ν0 ν0
=
vx c
vx
c
=
△ν ν0
2.轮廓类型 →Gausstype
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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。
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b)色散型(洛仑兹力)轮廓
Prof.ω=
γ 2π
1 (ω- ω0)
2+ ( γ2) 2
c)高斯型轮廓
1
Prof.ω=( 4πLγn22) 2exp[-
4Ln2(ω- ω0) 2 ] γ2
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二.谱线的自然宽度
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t→t+dt
dnn=- Anm nn dt
Nn (t) =nn0e-Anmt 初始条件：t=0 n|t=0 =nn0 =nnowk.baidu.com-t/τn
正电子复合
E
f-b
当v=0时
1 2
meve2
f-f
1 2
meve2
-
1 2
meve’2
En
ν0 = Ei-Em 为频率下限
h
hγ
hγ0
Em
c) 辐射总功率
Pcr∝Z4ne2 Te-3/2
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2. 轫致辐射(f-f跃迁) →e+A+→A++e+△E
a) h ν= 1 me(Ve2-Ve’ 2)
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
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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
nn =n0
gn g0
exp(- En KT
)
Pnm=n0
gn g0
Anm hνnmexp(-
En ) KT
Pnm：压力p(n0)，温度 T，能级性质(En,Anm)
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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)
c)Lindholm理论：干扰时相位产生位移
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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= ν2 Prof.λ
以ω表示
Prof.ω=
1 2π
Prof.ν
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2. 正负带电粒子的复合辐射 →连续谱
3. 带电粒子的减速产生的轫致辐射
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二. 线光谱
hνnm =En -Em =e△Vnm =hc/λnm
λnm=1239/△Vnm △V→V λnm→nm
E
En
hγmn
Em
hγn0
E0
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第四章 气体放电的基本原理
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4.1 气体放电的辐射
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自持放电条件
Υ(e αd -1)=1
V
K
A
d A
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一. 辐射的形成方
式 1. 激发态粒子回到低能级态(基态)时的自发 (受激)辐射→线光谱△E=hν
为谱线的轮廓。
Iλc
λ0
总强度 It=∫Iλdλ Prof.λ
λ
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1.产生放宽的机理 a)辐射原子自身原因：自然宽度，多普勒效应 b)外界原因：压力放宽
2.光谱线轮廓的类型
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a)定义
Prof.λ=
Iλ It
=∫IλdIλλ
2
b) 可证 Pcb ∝Z2ne2Te-1/2
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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