3.5 Физические процессы в газовой плазме

М еханизм образования газоразрядной плазмы состоит в том, что при некоторой напряженности электрического поля Е, электрон на средней длине свободного пробега λ приобретет кинетическую энергию

где U - падение потенциала на средней длине свободного пробега.

В результате различного рода соударений с атомами электроны передают им энергию.

1. Если кинетическая энергия электрона равна или больше энергии ионизации молекул газа, то в результате ударной ионизации в газе появляются дополнительные ион и электрон.

2. Если кинетическая энергия электрона меньше энергии ионизации молекул газа, то при столкновении с нейтральными молекулами (атомами) он испытывает либо упругое столкновение, либо приводит их в возбужденное состояние.

3 . Возбужденная молекула (атом) переходя в стационарное состояние, испускает квант э.м. волны (фотон), энергия которого

Энергетические уровни, с которых возможен прямой переход электрона в стационарное состояние называются резонансными. Время жизни атомов в возбужденном состоянии τ ≈ 10^-8 с.

4. Неупругие соударения, приводящие к увеличению внутренней энергии частиц, (без излучения кванта) называется соударением первого рода.

5. Соударение частиц с метастабильными атомами, сопровождаю-щееся изменением только внутренней энергии частиц (без излучения фотона), называют соударениями второго рода. Время жизни метастабильных атомов в возбужденном состоянии τ ≈ 10^-3 с.

6. Фотон, поглощаемый какой-нибудь из молекул газа, может ионизиро-вать ее; такого рода ионизация называется фотонной ионизацией.

7. При зажигании ЛЛ кратковременно накаляют нить накала, покрытую оксидным слоем, которая интенсивно излучает термоэлектроны.

8. Кроме того, фотон, падающий на отрицательно заряженный электрод (катод) может выбить из него электрон (внешний фотоэффект), который затем вызовет ударную ионизацию нейтральной молекулы, либо возбудит ее.

9. Положительные ионы также играют важную роль в газоразрядной плазме. Кроме ионизации и возбуждения нейтральных молекул (атомов), они выбивают из катода электроны (вторичная эмиссия электронов).

10. Свечение газа в газоразрядной трубке, при протекании в ней тока, называется электролюминесценцией, а свечение люминофора под действием фотонов - фотолюминесценцией.

11. Энергия фотонов, излучаемых люминофором, используемых в люминесцентных лампах, всегда меньше энергии возбуждения.

3.6 Включение люминесцентных ламп

Л юминесцентные лампы включаются в электрическую сеть с помощью пускорегулирующей аппаратуры ПРА (в международной практике их принято называть «Балластом»), для зажигания и обеспечения нормального режима работы. На рисунке 2а приведена простейшая и наиболее распространён-ная  схема импульсного зажигания. Она состоят из дросселя L, стартера (пускателя) П и помехоподавляюшего конденсатора С.

Стартер служит для подогрева электродов и зажигания лампы. Представляет собой лампу тлеющего разряда, состоящую из стеклянного баллона 2, наполненного инертным газом – неоном (рис. 2b). В стеклянном баллоне вмонтированы два электрода: один металлический 1, другой биметаллический 4.

Между электродами имеется зазор d = 2…3 мм. Лампа помещена в защитную оболочку 3, через нижнее основание которой выведены электроды 5.

Дроссель, представляет собой катушку индуктивности с сердечником из листовой электротехнической стали. Дроссель имеет индуктивность 4…5 Гн.

В момент включения лампы, ее электроды и стартер оказываются включенными на полное напряжение сети U. Напряженности электрического поля для зажигания лампы не достаточно, но достаточно, чтобы вызвать в стартере разряд, т.к. E=U/d. В стартере возникает тлеющий разряд, под действием которого биметаллический электрод 4 нагревается и, изгибаясь, замыкается с другим электродом 1 неоновой лампы. Цепь стартера замыкается, и начинается процесс нагрева электродов лампы в течение 0,5-3с, что приводит к резкому увеличению концентрация электронов. По окончании разряда в стартере биметаллический электрод охлаждается, выпрямляется и разрывает электрическую цепь. А так как в электрическую цепь последовательно с лампой включена индуктивная нагрузка (дроссель), то в момент размыкания за счет эдс самоиндукции возникает импульс повышенного напряжения, вызывающий мощный дуговой разряд в лампе и зажигает ее.

За счет протекания тока загоревшейся лампы на дросселе возникает дополнительное падение напряжения, которое уменьшает напряжение на электродах стартера ниже значения его зажигания, и работа стартера при зажженной лампе прекращается. Применяемый в схемах включения ЛЛ индуктивный балласт обеспечивает благоприятный сдвиг фаз между напряжением сети и током. В момент начала паузы тока к лампе оказывается приложенным почти амплитудное значение напряжения сети, которое немедленно перезажигает лампу (см. осциллограмму на рис. 3). Это улучшает режим работы электродов и уменьшает пульсации излучения. Другим преимуществом индуктивного балласта являются малые активные потери мощности, которые не превышают 10% мощности лампы. К недостаткам следует отнести невысокий коэффициент мощности (0,45 – 0,6).

Электрический разряд в лампе начинается в атмосфере инертного газа аргона, а затем по мере испарения ртути продолжается в её парах. Электрический разряд в парах ртути сопровождается УФ-излучением в виде двух монохроматических потоков с длинами волн 253,7 и 184,9 нм, которые преобразуется в слое люминофора колбы в видимое, в соответствии с правилом Дж.Г.Стокса (1852г.). Применение люминофоров является средством повышения световой отдачи и улучшения спектрального состава излучения. Квантовый выход фотолюминесценции лучших люминофоров достигает 0,9.

Люминофоры, применяемые в электроламповой промышленности, представляют собой синтетические соединения с кристаллической структурой. Различные люминофоры имеют различное время после-свечения. Минимальное время послесвечения τ≈100 пс. Световой поток ЛЛ в значительной степени зависит от толщины люминофорного слоя. Толстый слоя люминофора обладает большим поглощающим действием, а при тонком слое - происходит не полное преобразование УФ излучения. Кроме того, световой поток ЛЛ зависит от размеров частиц люминофорного слоя, т.е. от гранулометрического состава. Размеры частиц должны быть от 3 до 30 мкм.