Оптические свойства дугового разряда в парах ртути

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования 

Национальный  Исследовательский Томский Политехнический  университет 
 
 
 
 
 
 

Оптические  свойства дугового разряда  в парах ртути 
 
 

Выполнил: студентка гр. 1в80

Запускалова А. С.

Проверил: профессор каф. ЛиСТ

Штанько В. Ф. 
 
 
 
 
 
 

Томск 2010

      Дуговой разряд - самостоятельный квазистационарный электрический разряд в газе, горящий практически при любых давлениях газа, превышающих 10^-2_10^-4 мм.рт.ст., при постоянной или меняющейся с низкой частотой (до 10³ Гц) разности потенциалов между электродами и отличающийся высокой плотностью тока на катоде (10^2_10⁸ А/см²) и низким катодным падением потенциала.

      Для зажигания разряда к электродам необходимо приложить достаточно высокое  напряжение. Величина этого напряжения зависит от состава и давления газа, расстояния между электродами, диаметра трубки, материала электродов и их температур и многих других причин. Для поддержания стабильного  горения обычно требуется более  низкое напряжение, чем для его  зажигания. За счет приложенного извне  напряжения в разряде образуется электрическое поле, под действием  которого происходит движение заряженных частиц. Хотя частицы в газе движутся во всех направлениях, все же в среднем имеется тенденция движения электронов в направлении анода, а положительных ионов в сторону катода.

      Распределение скоростей для заданного сорта  частиц может быть охарактеризовано определенной температурой. В случае разрядов низкого давления температура  электронного газа очень высока _ несколько  тысяч К. Т нейтрального газа или  пара значительно ниже и лишь немногим выше температуры стенок разрядной  трубки. Температура ионного газа ближе к температуре нейтрального газа и достигает нескольких тысяч  градусов.

Поскольку средняя скорость движения электронов значительно больше, чем у ионов, практически весь ток образуется движение электронов. Положительные  ионы обеспечивают компенсацию отрицательного пространственного заряда, создаваемого электронами. Недостаток ионов привел бы к очень большим напряженностям поля. 

Ртутный разряд высокого давления

Световая  отдача ртутного разряда в зависимости  от давления ртутного пара имеет вид, показанный на рис.1.

Рис.1

      Первый  максимум достигается при давлении ртутного пара около 0.1 мм рт ст (точка В). В области А световая отдача собственно разряда очень мала, однако здесь имеют место условия, благоприятные для возбуждения УФ резонансных линий. Трубчатые люминесцентные лампы работают именно в этой области давлений, но при малых плотностях тока. С ростом давления происходит уменьшение выхода резонансного излучения и увеличивается заселенность более высоких энергетических уровней. Так кА эти более высокие уровни включают в себя начальные уровни видимых линий ртути, то увеличение их заселенности приводит к увеличению световой отдачи. Уменьшение световой отдачи после точки В объясняется ростом соударений между электронами и ртутными атомами. В следствии этого Т газа растет, что приводит к переносу значительной части энергии к стенкам трубки. Это возможно только если Т на оси растет быстрее, чем на стенке трубки. При давлении паров выше 10 мм рт ст. световая отдача снова начинает возрастать. Порог в 10 мм рт ст может изменяться, в зависимости от диаметра газоразрядной трубки.

      В точке С достигается граница между ртутными разрядами низкого и высокого давления. С точки зрения получения света величина давления, при котором происходит переход, не имеет существенного значения, т.к. в области точки С и световая отдача и эффективность возбуждения резонансных линий малы. Здесь важно лишь явление постепенного стягивания разряда к оси трубки. Ведь при более низких давлениях разряд занимает все поперечное сечение трубки. Контрагирование становится более заметным с ростом давления паров, пока в пределе между разрядом и стенкой трубки не появится темное пространство. Стягивание может служить индикатором того, имеем ли мы дело с разрядом низкого или высокого давления.

  Важной особенностью такого явления является то, что в данном случае поверхность яркости дугового разряда значительно выше, чем при назких и средних давлениях.

      Ртутная лампа низкого давления:

      Ртутные лампы низкого давления выгодно отличаются от ламп среднего и высокого давления малым энергопотреблением и невысокими температурами на их поверхности и в рабочей зоне. Основное внимание уделено столбу разряда, поскольку в нем происходит наиболее эффективное преобразование электрической энергии разряда в излучение. При малых токах и давлениях ртутного пара (порядка 10^-3 мм рт. ст) в излучение резонансной линии 253,7 нм превращается до 70% подводимой к столбу мощности, в то время как на долю УФ-линий в области от 260 до 380 нм приходится всего около 1—2%, а на долю видимых линий — около 3—4%. Поэтому основное внимание уделялось изучению резонансного излучения. 

        Для исправления спектра излучения  таких ламп и обогащения его  полосами излучения в области  300–400 нм на внутреннюю поверхность  колб (трубок) ламп наносят один  или несколько слоев люминофоров,  которые поглощают излучение  паров ртути в области 220–300 нм и преобразуют его в длинноволновое  излучение в области 300–400 нм  и более. Как люминофоры чаще  всего используют неорганические  вещества или их смеси, например, силикат бария, вольфрамат кальция, магния, фосфат кальция. Спектры излучения ламп низкого давления приведены на рис. 2.

Рис. 2 
 
 
 
 
 
 
 

      Спектр

Лучистый  поток линий определяется концентрацией  атомов, возбужденных до верхнего уровня каждой линии спектра, вероятностью перехода для данной линии, которая является атомной константой, и самопоглощением линии. Самопоглощение больше для линий с низким конечным уровнем и большей вероятностью переходов.

      Спектр  ртутного разряда высокого давления имеет три особенности:

1. Линии уширены и слегка смещены в сторону длинных или коротких волн. Этот эффект растет с ростом давления пара и плотности тока.
2. Наряду с линейчатым спектром имеется непрерывный спектр, относительная интенсивность которого растет с давлением и плотностью тока.
3. Появляются полосы абсорбции. Эти полосы, в которых излучение отсутствует, расширяются с увеличением давления ртутного пара.

      Происхождение непрерывного спектра имеет двойственную природу:

1. Интенсивность сплошного спектра с ростом температуры растет быстрее интенсивности линий.

2. с  увеличением давления интенсивность  непрерывного спектра растет  быстрее интенсивности линий,  следовательно, должен быть другой  компонент непрерывного спектра,  который может быть вызван  соударениями возбужденных атомов  с нормальными.

При очень  высоких давлениях излучение  вообще становиться полностью непрерывным.

      Для корректировки спектра излучения  ртутных ламп среднего и высокого давления в дуговой разряд вводят вещества или соединения, которые  дополняют спектр излучения паров  ртути недостающими полосами и/или увеличивают их интенсивность. Введение добавок йодидов (галоидов) ряда металлов (таллия, галлия, свинца, натрия и др.) позволило в два и более раз увеличить световую отдачу ламп. Принцип работы так называемых металлгалоидных ламп заключается в том, что молекулы йодидов металлов разлагаются на атомы в зоне высокотемпературного ртутного разряда (дуги). Образовавшиеся атомы находятся в возбужденном (неравновесном) состоянии. Поэтому они излучают свет, диффундируя за пределы зоны разряда, охлаждаются и взаимодействуют с образованием исходных молекул, которые вступают в новый цикл превращений. На рис. 3 изображена часть спектра излучения металлгалоидной лампы с добавкой йодида свинца. Видно, что такие лампы характеризуются большей световой отдачей в области 360–400 нм.

Список  литературы

1. Ртутные лампы высокого давления. Перераб. и доп. Пер. с англ. Под ред. И. М. Весельницкого и Г. Н. Рохлина, М., «Энергия», 1971.
2. http://www.femto.com.ua/articles/part_1/1147.html
3. http://www.kursiv.ru/kursivnew/flexoplus_magazine/archive/49/54.php
4. Большая Техническая энциклопедия, технический словарь, том2