Газоразрядные источники оптического излучения.

3. Газоразрядные источники оптического излучения. TР постоянного тока в трубке. Поскольку толщина КС порядка длины ионизации, часть электронов, ускоряясь на катодном скачке потенциала, набирает энергию, равную этому потенциалу. В результате интенсивной ионизации газа этим пучком электронов в области TC образуется светящийся слой плазмы большой плотности. Величина электрич. поля здесь близка к нулю. По мере продвижения от области TC по направлению к аноду плотность плазмы падает из-за рекомбинации и амбиполярной диффузии, электрич. поле растёт, но ещё недостаточно для ионизации и возбуждения атомов (область ФТП). Далее, в области ПС электрич. поле достигает величины, при к-рой ионизация электронами, набирающими энергию в этом поле, становится существенной. Для электрич. поля в ПС справедлив закон подобия E/p=f(pR), вытекающий из равенства скоростей ионизации и потерь за счёт амбиполярной диффузии к стенкам (теория Шоттки). BAX ПС не зависит от тока, плотность плазмы пропорциональна плотности тока. Для молекулярных газов с ростом тока необходимо учитывать процессы объёмной рекомбинации, приводящие к слабому росту напряжения на ПС, при дальнейшем увеличении тока происходит нагрев газа (для молекулярных газов). В атомарных газах при увеличении тока в первую очередь газ разогревается, плотность его уменьшается и, как следствие, уменьшается напряжение на ПС. BAX при этом падающая. Электроны в ПС термодинамически неравновесны. Их эфф. темп-pa существенно превосходит темп-ру атомов и молекул и составляет 2-3 эВ. Это обстоятельство и однородность E/p в длинных трубках используются для создания инверсной населённости атомов и молекул в газовых лазерах. 3.3. Дуговой разряд. Дуговой разряд отличается от тлеющего высокой плотностью тока на катоде 102 – 104 А/см2. И малым катодным падением потенциала (5-15В). Давление рабочего вещества - от 10 до 108Па. Токи - от десятых долей до сотен А. Столб дугового разряда низкого давления подобен столбу тлеющего разряда при одинаковых значениях давления, диаметра трубки и тока. Столб дуги высокого и сверхвысокого давления имеет рад характерных особенностей. Типичные параметры Д. р. Для Д. р. характерно чрезвычайное разнообразие принимаемых им форм: он может возникать практически при любом давлении газа — от менее 10-5мм рт. ст. до сотен атм; разность потенциалов между электродами Д. р. может принимать значения от нескольких вольт до нескольких тысяч вольт (высоковольтный Д. р.). Д. р. может протекать не только при постоянном, но и при переменном напряжении между электродами. Однако полупериод переменного напряжения обычно намного больше времени установления Д. р., что позволяет рассматривать каждый электрод в течение одного полупериода как катод, а в следующем полупериоде — как анод. Отличительными особенностями всех форм Д. р. (тесно связанными с характером эмиссии электронов из катода в этом типе разряда) являются малая величина катодного падения и высокая плотность тока на катоде. Катодное падение в Д. р. обычно порядка ионизационного потенциала рабочего газа или ещё ниже (1—10 в); плотность тока на катоде составляет 102—107а/см2. При столь большой плотности тока сила тока в Д. р. обычно также велика — порядка 1—10 a и выше, а в некоторых формах Д. р. достигает многих сотен и тысяч ампер. Однако существуют и Д. р. с малой силой тока (например, Д. р. с ртутным катодом может гореть при токах 0,1 a и ниже). Электронная эмиссия в Д.Р. Коренное отличие Д. р. от др. типов стационарного электрического разряда в газе заключается в характере элементарных процессов, происходящих на катоде и в прикатодной области. Если в тлеющем разряде и отрицательном коронном разряде имеет место вторичная электронная эмиссия, то в Д. р. электроны вылетают из катода в процессах термоэлектронной эмиссии и автоэлектронной эмиссии (называется также туннельной эмиссией). Когда в Д. р. происходит только первый из этих процессов, его называют термоэмиссионным. Интенсивность термоэмиссии определяется температурой катода; поэтому для существования термоэмиссионного Д. р. необходимо, чтобы катод или отдельные его участки были разогреты до высокой температуры. Такой разогрев осуществляют, подключая катод к вспомогательному источнику энергии (Д. р. с внешним накалом; Д. р. с искусственным подогревом). Термоэмиссионный Д. р. возникает и в том случае, когда температуру катода в достаточной степени повышают удары положительных ионов, образующихся в разрядном промежутке и ускоряемых электрическим полем по направлению к катоду. Однако чаще при Д. р. без искусственного подогрева интенсивность термоэлектронной эмиссии слишком мала для поддержания разряда, и значительную роль играет процесс автоэлектронной эмиссии. Сочетание этих двух видов эмиссии носит название термоавтоэмиссии. Автоэлектронная эмиссия из катода требует существования у его поверхности сильного электрического поля. Такое поле в Д. р. создаётся объёмным зарядом положительных ионов, удалённым от катода на расстояние порядка длины свободного пробега этих ионов (10-6—10-4см). Расчёты показывают, что автоэлектронная эмиссия не может самостоятельно поддерживать Д. р. и всегда в той или иной степени сопровождается термоэлектронной эмиссией. Вследствие сложности исследования процессов в тонком прикатодном слое при высоких плотностях тока экспериментальных данных о роли автоэлектронной эмиссии в Д. р. накоплено ещё недостаточно. Теоретический же анализ пока не может удовлетворительно объяснить все явления, наблюдаемые в различных формах Д. р. 3.4 Ртутные газоразрядные лампы Ртутные газоразрядные лампы представляют собой электрический источник света, в котором для генерации оптического излучения используется газовый разряд в парах ртути. Для наименования всех видов таких источников света в отечественной светотехнике используется термин «разрядная лампа» (РЛ), включенный в состав Международного светотехнического словаря, утверждённого Международной комиссией по освещению. Этим термином следует пользоваться в технической литературе и документации. В зависимости от давления наполнения, различают РЛ низкого давления (РЛНД), высокого давления (РЛВД) и сверхвысокого давления (РЛСВД). К РЛНД относят ртутные лампы с величиной парциального давления паров ртути в установившемся режиме менее 100 Па. Для РЛВД эта величина составляет порядка 100 кПа, а для РЛСВД — 1 МПа и более В РЛ многих типов разрядную колбу, часто называемую горелкой или излучателем помещают во внешнюю колбу, которая выполняет ряд функций: 1) защи­щает горелку от повреждений, 2) уменьшает влияние окружающей среды на тепловой режим горелки, 3) предохраняет нагретые выводы и монтаж от окисления 4) служит поверхностью для нанесении различно­го рода покрытый изменяющих спектр излучения. Зажигание разряда возможно лишь при напряжении выше определенного значения, когда становится воз­можным лавинное образование зарядов в газовом ме­жэлектродном промежутке. Это приводит к резкому, практически внезапному возрастанию тока (10-5‑10-7 с) и появлению свечения. Этот процесс называет­ся зажигания самостоятельного разряда, а соответствующее ему напряжение - напряжением зажигания. При меньшем напряжении межэлектродный про­межуток является диэлектриком. Напряжение зажигания самостоятельного разряда Uз, определяет нижнюю границу напряжения, которое необходимо приложить к РЛ для возникновения самостоятельного разряда. Напряжение, необходимое для стабилизации разряда после его возникновения, как правило, ниже Uз. Напряжение зажигании зависит от рада газа, запол­няющего колбу, его давления р, расстоянии между электродами lэл, материала и свойств катода, а также от рада других причин. Значительное влияние на Uз, ока­зывают небольшие, а иногда ничтожные примеси к основному газу. Пои этом некоторые примеси вызывают резкое снижение (эффект Пеннига), а другие (обычно молекулярные) – существенное повышение. Обычно Uз, имеет минимум при определенном значении p*lэл, различном для разных газов (рис. 3.3). При высоких давлениях и больших расстояниях между электродами может достигать многих кВ. Методы, применяемые для зажигания РЛ, преду­сматривают снижение напряжения зажигания за счет конструкции лампы или создание различных схем, обеспечивающих подачу на РЛ повышенного напряже­ния, достаточного для зажигании разрыла. Снижение напряжении зажигания досгается: 1) введением в РЛ вспомогательного зажигающего электрода и подбором рода и давления наполняющего газа: 2) активировкой катодов, снижающей работу выхода электронов: 3) предварительным накалом катодов, обеспечиваю­щим термоэлектронную эмиссию электронов; 4) созданием начальной ионизации в объеме газа и т.д. Стабилизация разряда необходима потому, что по­давляющее большинство РЛ работают на падающих (или горизонтальных) участках ВАХ, на которых с рос­том тока напряжение па РЛ падает. Поэтику устойчи­вая работа РЛ возможна только при наличии в схеме устройств. ограничивающих силу тока в заданных пре­делах. По физической при столб разряда представляет собой низкотемпературную плазму. т.е частично ионизированный газ или пар, в котором концентрации по­ложительных и огрицательных зарядов равны, благода­ря чему плазма квазинейтральна. Исключение состав­ляют пограничные слон у стенок колбы и электронов, где эта нейтральность нарушается. Концентрация элек­тронов (и ионов) в столбе стационарного разряда со­ставляет обычно 10-4-10-2 концентрации нейтральных атомов. Внешнее электрическое пиле, приложенное к стол­бу, вызывает ускоренное движение электронов. В ре­зультате различного рода соударений с атомами элек­троны передают им энергию. При упругих их соударениях вследствие большой разницы в массах электроны передают атомам очень малую часть энергии, равную приблизительно 2me /2ma, но резки меняют направление движении. Поэтому движение электронов в столбе носит хаотический характер. При низком давлении газа и малой плотности тока из-за относительно малой пере­дачи энергии атомам электронный газ нагревается до температуры в десятки тысяч К (электронная температу­ра), в то время как температура газа нейтральных атомов, на которые электрическое поле не действует, лишь немногим превышает окружающую. В стационарном состоянии нагрев электронного газы уравновешивается его охлаждением за счет передачи энергии атомам газа. В столбе разряда низкого давления основными процес­сам и передачи являются возбуждение и ионизация ато­мов. Возбужденные атомы, возвращаясь в состояния с меньшей энергией, испускают при этой избыток энер­гии в виде фотонов, которые, покидая разряд, уносят энергию с собой. Образующаяся в результате ионизации пара электрон-ион идет на пополнение потерь заряженных частиц. В разряде низкого давления потери заряженных частиц происходит в основном в результате их рекомбинации на стенках колбы, куда они попадают за счет диффузии. При этом они отдают свою энергию стенкам, вызывая их нагревание. В разряде низкого давления и при мамой плотности тока наибольший поток излучении сосредоточен в так называемых резонансных линиях, соответствующих переходам возбужденных атомов из «нижнего» возбужденного состояния в основное невозбужденное. При особо благоприятных условиях в резонансное излучение может преобразовываться до 80-85% подводимой к столбу энергии. По мере повышения давления и плотности тока растет чисто различных соударений между электронами и атомами газа и вместе с тем обмен энергией меж­ду ними. В результате температура электронов надает, а температура газа возрастает. При давлении порядка 105 Па выше и токе в несколько А температуры элек­тронов и газа становятся практически рамными друг другу и достигают 4000-5000 К и более (термическая плазма). Возникающий в этих условиях большой пере­пал температур от осевых частей разряда к периферии приводит к стягиванию разряда в яркий светящийся шнур, окруженный темной оболочкой. Это связано с тем, что в такой термической плазме объемная мощность излучения и концентрация электроном, а, следовательно, плотность тока связаны с температурой экспоненциально. Поэтому даже незначительное снижение температуры в направлении от оси разряда к переферии вызывает резкое уменьшение мощности излуче­ния и плотности тока (рис. 3.4). Излучение газов и паров с РЛ вызнано возбуждением атомов (или молекул) в разряде за счет неупругих со­ударений с электронами. Возбужденные атамы (кроме метастабильных) за время 10-7-10-8 с возвращаются в состояние с меньшей энергией и при этом испускают избыток энергии и виде фотонов - электромагнитного излучения с частотой v=(W2-W1)/h. Атомы каждого химического элемента имеют совершенно определенные, присущие только этому элементу энергии возбужденных состояний и поэтому могут испускать фотоны только определенных частот или длин волн. При рассматривании такого излучения через спек­тральный прибор виден спектр, состоящий из отдельных линий, расположение которых характерно для ка­ждого рода газа или пара. Таким образом, подбирал род газа или пара и усло­вия разряда, можно получать разные спектры излуче­ния с различным распределением интенсивностей. 3.5 Люминесце́нтная лампа Люминесце́нтная лампа — газоразрядный источник света, в котором видимый свет излучается в основном люминофором, который в свою очередь светится под воздействием ультрафиолетового излучения разряда; сам разряд тоже излучает видимый свет, но в значительно меньшей степени. Световая отдача люминесцентной лампы в несколько раз больше, чем у ламп накаливания аналогичной мощности. Срок службы люминесцентных ламп может в 10 раз превышать срок службы ламп накаливания при условии обеспечения достаточного качества электропитания, балласта и соблюдения ограничений по числу включений и выключений. Наиболее распространены газоразрядные ртутные лампы высокого и низкого давления. Лампы высокого давления применяют в основном в уличном освещении и в осветительных установках большой мощности, в то время как лампы низкого давления применяют для освещения жилых и производственных помещений. Она представляет собой стеклянную трубку с нанесённым на внутреннюю поверхность слоем люминофора, заполненную аргоном под давлением 400 Па и ртутью (или амальгамой). Люминесцентные лампы нашли широкое применение в освещении общественных зданий: школ, больниц, офисов и т. д. С появлениемкомпактных люминесцентных ламп с электронными балластами, которые можно включать в патроны E27 и E14 вместо ламп накаливания, люминесцентные лампы завоёвывают популярность и в быту. Популярность люминесцентных ламп обусловлена их преимуществами: значительно большей светоотдачей (люминесцентная лампа 20 Вт даёт освещенность как 100 Вт лампа накаливания), длительным сроком службы (2000-20000 часов в отличие от 1000 у ламп накаливания), рассеянным светом, разнообразием оттенков свет. Люминесцентная лампа, в отличие от лампы накаливания, не может быть включена напрямую в электрическую сеть. Причин для этого две: • Для зажигания дуги в люминесцентной лампе требуется импульс высокого напряжения. • Люминесцентная лампа имеет отрицательное дифференциальное сопротивление, после зажигания лампы ток в ней многократно возрастает. Если его не ограничить, лампа выйдет из строя. Для решения этих проблем применяют специальные устройства — балласты. Наиболее распространённые на сегодняшний день схемы: электромагнитный балласт с неоновым стартером и различные разновидности электронных балластов. Электромагнитный балласт Рис. 3.5 Современный Электромагнитный балласт «L36A-T» завода Helvar, Финляндия. Электромагнитный балласт  представляет собой электромагнитный дроссель, подключаемый последовательно с лампой. последовательно нитям лампы подключается стартер, представляющий собой неоновую лампу с биметаллическими электродами и конденсатор. Дроссель формирует за счёт самоиндукции запускающий импульс, а также ограничивает ток через лампу. В настоящее время преимуществами электромагнитного балласта являются простота конструкции, надёжность и низкая стоимость. Недостатков же такой схемы достаточно много: • Долгий запуск (1-3 сек в зависимости от степени износа лампы); • Большее потребление энергии, чем у электронной схемы — при напряжении 220 Вольт светильник 2 по 58 Ватт = 116 Ватт потребляет 130 Ватт; • Малый cos φ=0.5 (без компенсирующих конденсаторов); • Низкочастотный гул (50Гц), исходящий от дросселя, возрастающий со старением дросселя; • Мерцание лампы с удвоенной частотой сети, которое может повредить зрение, а иногда бывает опасным (из-за стробоскопического эффекта вращающиеся синхронно с частотой сети предметы могут казаться неподвижными. Поэтому люминесцентные лампы с электромагнитным балластом не рекомендуется применять для освещения подвижных частей станков и механизмов); • Большие габариты и масса; • При температуре ниже 10 °C яркость лампы значительно снижается ввиду уменьшения давления газа в лампе; • При отрицательных температурах лампы по классической схеме могут не зажигаться вообще, при этих условиях применяются автотрансформаторы. Электронный балласт Рис. 3.6 Электронный пускорегулирующий аппарат Электронный балласт подаёт на электроды лампы напряжение не с частотой сети, а высокочастотное (25—133 кГц), в результате чего заметное для глаз мигание ламп исключено. Однако высокочастотные колебания, проходя через лампу, как антенну, создают электромагнитные помехи в широком спектре, поэтому радиодиапазон ДВ — длинные волны, начинающийся с 540 кГц, стал не пригоден для использования, но аргументировали это тем, что невыгодно строить антенны большого размера и перешли на диапазон УКВ, волны которого распространяются только в пределах прямой видимости и нужны повторители-репитеры. Может использоваться один из двух вариантов запуска ламп: • Холодный запуск — при этом лампа зажигается сразу после включения. Такую схему лучше использовать в случае, если лампа включается и выключается редко, так как режим холодного пуска более вреден для электродов лампы. • Горячий запуск — с предварительным прогревом электродов. Лампа зажигается не сразу, а спустя 0,5-1 сек, зато срок службы увеличивается, особенно при частых включениях и выключениях. Потребление электроэнергии люминесцентными светильниками при использовании электронного балласта обычно на 20-25 % ниже. Материальные затраты (медь, железо) на изготовление и утилизацию меньше в несколько раз. Использование централизованных систем освещения с автоматической регулировкой позволяет сэкономить до 85 % электроэнергии. Существуют электронные балласты с возможностью диммирования (регулировки яркости) путём изменения скважности тока питания лампы. 3.5.1 Механизм запуска лампы с электромагнитным балластом В классической схеме включения с электромагнитным балластом для автоматического регулирования процесса зажигания лампы применяется пускатель (стартер), представляющий собой миниатюрную газоразрядную лампу, обычно неоновую. Один электрод стартера неподвижный жёсткий, другой — биметаллический, изгибающийся при нагреве. Есть также стартеры и с двумя гибкими электродами (симметричные). В исходном состоянии электроды стартера разомкнуты. Стартер подключен параллельно лампе так, чтобы при замыкании его электродов ток проходил через спирали лампы. В момент включения к электродам лампы и стартера прикладывается полное напряжение сети, так как ток через лампу отсутствует и падение напряжения на дросселе равно нулю. Электроды лампы холодные, разряд отсутствует, и напряжения сети недостаточно для её зажигания. Но в стартере от приложенного напряжения возникает тлеющий разряд, и ток проходит через электроды лампы и стартера. Ток разряда мал для разогрева электродов лампы, но достаточен для разогрева электродов стартера, отчего биметаллическая пластинка, изгибается и замыкается с жёстким электродом. Ток течет через электроды лампы и разогревает их. Когда электроды стартера остывают, цепь размыкается, и благодаря самоиндукции происходит бросок напряжения на дросселе, необходимый для зажигания разряда. Параллельно стартеру подключен миниатюрный конденсатор небольшой емкости, служащий для обеспечения условия возникновения резонанса тока совместно с индуктивностью дросселя и, вследствие, зажигания лампы. При отсутствии конденсатора этот импульс будет слишком коротким, а амплитуда слишком большой и энергия, накопленная в дросселе израсходуется на разряд в стартере. К моменту размыкания стартера электроды лампы уже достаточно разогреты, но в лампе ещё не вся ртуть испарилась и разряд проходит в атмосфере аргона, из-за чего разряд в лампе неустойчивый и процесс запуска может повториться неоднократно. Как только вся ртуть в колбе лампы испаряется в достаточном количестве, лампа выходит на рабочий режим. Рабочее напряжение лампы ниже сетевого за счёт падения напряжения на дросселе, поэтому повторного срабатывания стартера не происходит. В процессе зажигания лампы стартер иногда срабатывает несколько раз подряд, если он размыкается в момент, когда мгновенное значение тока дросселя равно нулю, либо электроды лампы ещё недостаточно разогреты. По мере износа рабочее напряжение растёт, количество циклов срабатывания стартера увеличивается, и в конце концов лампа уже не может выйти на рабочий режим. Это вызывает характерное мигание вышедшей из строя лампы. Когда лампа гаснет, можно видеть свечение катодов, разогретых током, протекающим через стартер. 3.5.2 Механизм запуска лампы с электронным балластом В отличие от электромагнитного балласта для работы электронного балласта обычно не требуется отдельный специальный стартер, так как такой балласт в общем случае способен сформировать необходимые последовательности напряжений сам. Существуют различные способы запуска люминесцентных ламп. Чаще всего электронный балласт подогревает катоды ламп и прикладывает к катодам напряжение, достаточное для зажигания лампы, обычно — переменное и более высокой частоты, чем сетевое (что заодно устраняет мерцание лампы, характерное для электромагнитных балластов). В зависимости от конструкции балласта и временных параметров последовательности запуска лампы такие балласты могут обеспечивать, например, плавный запуск лампы с постепенным нарастанием яркости до полной за несколько секунд или же мгновенное включение лампы. Часто встречаются комбинированные методы запуска, когда лампа запускается не только за счет факта подогрева катодов лампы, но и за счет того, что цепь, в которую включена лампа, является колебательным контуром. Параметры колебательного контура подбираются так, что при отсутствии разряда в лампе в контуре возникает явление электрического резонанса, ведущее к значительному повышению напряжения между катодами лампы. Как правило, это ведет и к росту тока подогрева катодов, поскольку при такой схеме запуска спирали накала катодов нередко соединены последовательно через конденсатор, являясь частью колебательного контура. В результате за счет подогрева катодов и относительно высокого напряжения между катодами лампа легко зажигается. После зажигания лампы параметры колебательного контура изменяются, добротность уменьшается и ток в контуре значительно падает, уменьшая нагрев катодов. Существуют вариации данной технологии. Например, в предельном случае балласт может вообще не подогревать катоды, вместо этого приложив достаточно высокое напряжение к катодам, что неизбежно приведет к почти мгновенному зажиганию лампы за счет пробоя газа между катодами. По сути этот метод аналогичен технологиям, применяемым для запуска ламп с холодным катодом (CCFL). Данный метод достаточно популярен у радиолюбителей, поскольку позволяет запускать даже лампы с перегоревшими нитями накала катодов, которые не могут быть запущены обычными методами из-за невозможности подогрева катодов. В частности, этот метод нередко используется радиолюбителями для ремонта компактных энергосберегающих ламп, которые являются обычными люминесцентными лампами со встроенным электронным балластом в компактном корпусе. После небольшой переделки балласта такая лампа может ещё долго служить невзирая на перегорание спиралей подогрева, и её срок службы будет ограничен только временем до полного распыления электродов. Люминофоры и спектр излучаемого света Рис. 3.7 Типичный спектр люминесцентной лампы. Спектр излучения: линейчатый 11-ватной компактной люминесцентной лампы показан на рис.3.7. Линейчатый спектр излучения может вызвать искажения в цветопередаче Многие люди считают свет, излучаемый люминесцентными лампами, грубым и неприятным. Цвет предметов, освещенных такими лампами, может быть несколько искажён. Отчасти это происходит из-за синих и зелёных линий в спектре излучения газового разряда в парах ртути, отчасти — из-за типа применяемого люминофора, отчасти от неправильно выбранной лампы, предназначенной для складов и нежилых помещений. Во многих дешевых лампах применяется галофосфатный люминофор, который излучает в основном жёлтый и синий свет, в то время как красного и зелёного излучается меньше. Такая смесь цветов глазу кажется белым, но при отражении от предметов свет может содержать неполный спектр, что воспринимается как искажение цвета. Однако такие лампы, как правило, имеют очень высокую световую отдачу. Если учесть, что в человеческом глазе три типа цветовых рецепторов, и восприятие сплошного спектра — лишь результат работы мозга, то стремиться воссоздавать сплошной солнечный спектр нет необходимости, достаточно воссоздать такое же воздействие на эти три рецептора. Этот принцип давно используется в цветном телевидении и цветной фотографии. Поэтому в более дорогих лампах используется «трёхполосный» и «пятиполосный» люминофор. Это позволяет добиться более равномерного распределения излучения по видимому спектру, что приводит к более натуральному воспроизведению света. Однако такие лампы, как правило, имеют меньшую световую отдачу. Колбы специальных ламп изготавливаются из увиолевого стекла, пропускающего лучи в ультрафиолетовом диапазоне волн. В домашних условиях оценить спектр лампы можно с помощью компакт-диска. Для этого нужно посмотреть на отражение света лампы от рабочей поверхности диска — в дифракционной картине будут видны спектральные линии люминофора. Если лампа расположена близко, между лампой и диском лучше поместить экран с маленьким отверстием.