Разрядные источники излучения

Газоразрядные источники оптического излучения обладают более высоким световым КПД, чем источники, основанные на тепловом излучении. С.И. Вавилов характеризовал явление люминисценции, как излучение атомов и молекул вещества, возникающее при возбуждении их энергией электрического разряда в газах и парах металла [4,5].

Возникновение электрического разряда между двумя электродами к которым подведено напряжение в ограниченном объеме среды, заполненной инертным газом или небольшим количеством металла с высокой упругостью паров, определяется перемещением свободных электронов и ионов, всегда присутствующих в газе. В результате этого воздействия происходит перемещение ионов к катоду, а электронов – к аноду, то есть протекает электрический ток.

Процесс прохождения электрического тока в газообразной среде существенно отличается от протекания тока в металлах и электролитах. Электрический пробой газа или пара и протекание в результате этого тока отличается от соответствующего явления и в диэлектриках. Если в последних электрический пробой приводит к их разрушению и превращению полностью или частично в проводник или полупроводник, то газ или пар восстанавливает свои свойства при снятии электрического поля, если в результате пробоя не произошла химическая реакция. Характер и механизм электрического разряда в газах и парах металлов зависят главным образом от свойств среды, приложенного напряжения и плотности тока.

Возникновение световых излучений происходит за счет энергии столкновения электронов с атомами при движении их к аноду. В зависимости от кинетической энергии движущегося электрона в момент соударения с атомом различают три вида столкновений: упругий удар, возбуждение атома и ионизация.

При упругом ударе, когда скорость электрона не велика, возрастает скорость атома, вследствие чего повышается температура газа и паров металла, в атмосфере которых происходит процесс.

При достаточно большой энергии электрона его столкновение с атомом может привести к возбуждению или ионизации атома. Возбужденное состояние атома характеризуется более высоким уровнем энергии, сообщенным ему при соударении с электроном. При возврате атома на базисный уровень происходит излучение. Энергетические уровни атома, при возвращении с которых на базисный возникает излучение, носят название резонансных, а само излучение называется резонансным излучением. Оно наблюдается в газоразрядных лампах низкого давления, в который основной причиной возникновения излучения служит соударение быстрых электронов с атомами наполняющего лампу газа. Излучение газоразрядных ламп при низком давлении газа и небольшой плотности тока будет линейчатым, содержащим в основном резонансные линии газа.

Увеличение давления газа и плотности тока создает условия, обеспечивающие процессы ступенчатого возбуждения и ионизации, возникающие при соударении электронов с уже возбужденными атомами и сопровождающиеся переходом возбужденного атома на еще более высокие уровни. При таких условиях переход атома в нейтральное состояние может происходить также ступенями, энергия фотона уменьшается и соответственно увеличивается длина волны излучения. Это сопровождается расширением линии излучения, увеличением его интенсивности и появлением сплошного фона излучения.

Повышение давления молекулярного газа и плотности тока приводит к увеличению интенсивности длинноволнового излучения.

Скорость перемещения электронов и ионов увеличивается при повышении напряжения, подводимого к электродам, в результате чего электроны получают достаточную кинетическую энергию для ионизации встречающихся на их пути атомов газа. Как следствие ионизации, возникающей при столкновении электронов с атомами газа, появляются новые электроны и ионы, процесс нарастает, и электрический ток увеличивается. Из-за значительно меньшей скорости перемещения ионов, они группируются около катода, образуя положительный заряд; электроны, имеющие большую скорость, переносятся к аноду. В результате наблюдается неравномерное распределение электрического поля, а следовательно, и потенциала вдоль разряда, при этом максимальный градиент потенциала наблюдается у катода и наименьший у анода.

Под действием электрического поля ионы, находящиеся вблизи катода, получают значительное ускорение и ударом о катод освобождают электроны с его поверхности, в результате чего последние становятся источниками новой ионизации.

Таким образом, устанавливается процесс, сопровождающийся свечением, а разряд, обеспечивающий этот процесс, называется тлеющим разрядом. Напряжение, подводимое к лампе для зажигания электрического разряда, принято называть напряжением зажигания. Его значение зависит от материала и свойств катода газа, наполняющего лампу, и его давления, диаметра колбы и расстояния между электродами. Снижение напряжения зажигания может быть получено за счет уменьшения работы выхода электронов, что достигается нанесением на поверхность катода пленки щелочноземельных металлов, а также предварительной ионизацией газа. На рис.1.17 показано строение тлеющего разряда и распределение яркости вдоль трубки. Непосредственно у анода 7 возникает положительное свечение, занимающее значительную часть трубки. У катода 2 расположена небольшая область катодного свечения 1, непосредственно к катоду примыкает темный участок – круксово пространство 3, за которым начинается отрицательное свечение 4, за ним следует темный участок - фарадеево пространство 5, а между фарадеевым пространством и анодом расположена область положительного свечения 6, которая является основным источником световых излучений тлеющего разряда.

Тлеющий разряд характеризуется малыми плотностями тока на катоде (10^-5… 10^-1 А/ см²) и низким давлением газа или паров, наполняющих лампу (тысячи паскалей). Падение потенциала у катода находится в пределах от 100 до 300 В.

При дальнейшем увеличении тока процесс бомбардировки катода усиливается, происходит его нагрев и возникает термоэлектронная эмиссия. При термоэлектронной эмиссии катодное падение напряжения резко уменьшается и возникает дуговой разряд, характеризуемый малым катодным падением потенциала (около 10 В). Вольт - амперная характеристика, определяемая зависимостью напряжения на лампе от тока в ее цепи, графически показана на рис.1.18. Согласно рисунку, при переходе от темного разряда (соответствующего напряжению зажигания разряда) к тлеющему (то есть к увеличению тока) наблюдается некоторое снижение напряжения на лампе и устанавливается самостоятельный тлеющий разряд. Дальнейшее увеличение тока вначале приводит к увеличению напряжения на лампе, а потом – к резкому падению его, соответствующему возникновению дугового разряда. Дуговой разряд низкого давления в газах и парах металлов характеризуется равномерным свечением по всей длине лампы.

При повышении давления газа растет число соударений, а следовательно, и температура газа, заполняющего лампу. Из-за большого перепада температуры от оси разряда к стенкам трубки лампы разряд стягивается в яркий светящий шнур. Высокая яркость разряда при сравнительно низких напряжениях на лампе позволяет создать экономичный источник света. Нестабильность процесса ионизации, имеющая постоянную тенденцию к увеличению, приводит к повышению проводимости среды внутри лампы, а следовательно, и возрастанию тока при постоянном напряжении, вследствие чего режим горения лампы становится неустойчивым. Для стабилизации тока в газоразрядных источниках света применяются специальные стабилизирующие устройства – индуктивные сопротивления – дроссели, включаемые последовательно с газоразрядной лампой.

Рабочей характеристикой разрядных ламп является дуговой разряд.

При достижении на разрядном промежутке напряжения, равного напряжению зажигания U_з дугового разряда, процесс образования заряженных частиц в межэлектродном пространстве развивается лавинообразно (падающая вольт-амперная характеристика – U_л, рис.1.20), за период времени 10^-5…10^-7 и приводит к возникновению свечения. Это явление называется зажиганием самостоятельного разряда.

Напряжением зажигания U_з называется наименьшее значение напряжения, при котором возникает самостоятельный разряд. Оно зависит от рода газа, его давления, эмиссионных свойств электродов и расстояния между ними. Существенную роль в зажигании разряда могут играть внешние факторы, вызывающие первичную ионизацию газа. Напряжение зажигания самостоятельного дугового разряда значительно выше напряжения, требующегося для поддержания разряда в установившемся режиме, когда межэлектродный промежуток ионизирован и катод, разогретый за счет кинетической энергии падающих на него заряженных частиц, обеспечивает достаточный уровень эмиссии электронов.

Напряжение зажигания, как правило, превышает и эффективное напряжение сети, к которой подключен газоразрядный источник. Вместе с тем весьма желательной является возможность зажигания дугового разряда при напряжении, не превышающим U_с. Этого можно добиться различными способами. Например, можно увеличивать первичную ионизацию газа, вводя в газоразрядный промежуток дополнительные электроды, при помощи которых создается высокая напряженность электрического поля вблизи катода, способствующая возникновению и развитию разряда. Применяются и другие способы снижения напряжения зажигания: покрытие электродов активизирующим слоем, повышающим их эмиссионные свойства; предварительный нагрев электродов, уменьшающий работу выхода электронов с катода; расположение на поверхности лампы проводящей полосы, изменяющей распределение электрического поля в межэлектродном промежутке и т.п.

Падающая вольт-амперная характеристика дугового разряда делает его неустойчивым. Поэтому электрическая схем включения газоразрядного источника излучения должна содержать элемент, который стабилизировал бы разряд и ограничивал бы ток заданным значением [8].

Рассмотрим условия стабилизации дугового разряда при питании лампы от сети постоянного тока.

Устойчивый режим работы дугового разряда будет обеспечен при следующих условиях:

U_c= U_л + U_б (1.31)

R_б+ R_л>0, (1.32)

где U_c – напряжение сети, В; U_л, U_б – напряжение на лампе и на балласте, В; R_б, R_л – сопротивление балласта и лампы, Ом.

Сопротивление лампы – величина переменная и отрицательная.

В любой момент времени

R_л= (1.33)

где U_л и I_л – напряжение, В, на лампе и сила тока, А, в ней.

Обратимся к рисунку. Балластное сопротивление с ВАХ U_б1 (I) обеспечивает суммарную ВАХ схемы U_Σ1 (I), которая пересекает линию сетевого напряжения U_с в точках 1 и 2.

В точках этой характеристики 1 и 2 напряжение сети и схемы окажутся одинаковыми. На падающей части характеристики ток самопроизвольно растет, и работа схемы в точке 1 невозможна. Устойчива работа схемы в точке 2. Возрастание тока в схеме возможно только с увеличением напряжения U_с. Для газового разряда напряжение зажигания U₃ всегда выше напряжения питания схемы U_с. Напряжение на балласте U_б обычно больше, чем напряжение на лампе U_л.

Все РЛ классифицируются по следующим принципам:

по давлению в рабочем состоянии – низкого давления (0,3…0,4 кПа), высокого давления (0,03…0,8 МПа) и сверхвысокого давления (>0,8 МПа);

по наполнителю (атмосфере разряда) – ртутные, натриевые, кадмиевые, ксеноновые и ртутные с галогенными добавками;

по форме колбы – трубчатые, шаровые, кольцевые, U – образные и т.п,;

по назначению – осветительные, эритемные (витальные), бактерицидные, фитолампы для растений и т.п.;

по числу электродов или фаз – двух-, трех-, четырехэлектродные, одно- и трехфазные.