4.2. Классификация газоразрядных источников света

По составу наполнения.

Инертные газы (Ne, Xe, Kr и т.д.).

Молекулярные соединения (H₂).

Пары металлов и других химических элементов (Hg, Na, S).

Эксимерные соединения (эксилампы).

Галогениды различных металлов.

По виду источника излучения.

Излучение газового разряда.

Люминесценция со свечением газового разряда.

Электродосвечение с газовым разрядом.

По форме колбы.

Трубчатые с отношением длины к диаметру не менее 2.

Капиллярные (диаметр канала меньше 4 мм).

Шаровые (отношение длины к диаметру менее 2).

По рабочему давлению газовой смеси.

Газоразрядные лампы низкого давления (ГЛНД) – давление газа в пределах от 10^-3 до 10² мм рт.ст. или, что то же самое, от 0,1 до 10⁴ Па.

Газоразрядные лампы высокого давления (ГЛВД) – давление газа в пределах от 10⁴ до 10⁶ Па (от 0,1 до 10 атм.).

Газоразрядные лампы сверхвысокого давления (ГЛСВД) – давление газа в пределах от 10⁶ до 10⁸ Па (от 10 до 100 атм.).

По способу эмиссии.

Лампы с холодным катодам.

Лампы с термокатодом.

Безэлектродные лампы.

По форме питающего напряжения.

Режим постоянного тока.

Напряжение промышленной частоты (50-60 Гц).

ВЧ и СВЧ напряжение.

Импульсное питание.

4.3. Энергетические характеристики излучения газового разряда

В газовом разряде в результате соударений с заряженными частицами атомы переходят в более высокое энергетическое состояние. Полная энергия молекулярного газа складывается из энергии электронных состояний в атомах E_эл, энергии колебательных процессов атомов в молекуле E_кол, энергии вращательного движения E_вр и транспортного движения E_тр (диффузное движение молекул к охлажденным стенкам разрядного канала):

E_общ = E_эл + E_кол + E_вр + E_тр.

Н ижние значения уровней электронной энергии (рис. 4.1) соответствуют возбужденным состояниям E^* , далее – переход в ионизированное состояние E⁺, а затем – возбужденные состояния ионизированных атомов (E⁺)^*. Поскольку энергообмен обусловлен столкновением с электронами (ΔE = eU), величину энергии можно выразить через потенциалы возбуждения (U^*) и потенциалы ионизации (U⁺)^*.

При оценке теплового режима газового разряда следует иметь в виду, что в условиях работы маломощных источников света, особенно в случае тлеющего разряда, плазма находится в неравновесном состоянии, при котором температура электронов может достигать десятков тысяч кельвин, в то время как температура ионов и нейтральных молекул – примерно 400 К. При переходе к сильноточной дуговой форме разряда температура газа повышается до нескольких тысяч кельвин.

Атомы и ионы в возбужденном состоянии находятся непродолжительное время. С определенной периодичностью они переходят в более низкое энергетическое состояние, отдавая избыток энергии в окружающее пространство в виде электромагнитного излучения. Длина волны излучения связана с величиной энергетических переходов соотношением

λ = 1236/ΔE,

λ – выражена в нанометрах, энергия перехода ΔE – в электрон-вольтах.

Колебательные и вращательные уровни энергии свойственны только молекулярным газам. Излучение при переходах из колебательных состояний соответствует области инфракрасного диапазона и в оценке спектрального состава излучения газоразрядных источников, как правило, не учитывается.

Переходы из нижних уровней возбужденного состояния в основное в теории световых приборов принято называть резонансными, остальные переходы, в том числе между верхними состояниями, – нерезонансными.

При низких давлениях и малых значениях тока преобладает резонансное излучение, а спектр имеет линейчатую структуру (рис.4.2, а). Чем выше давление и больше энергия газового разряда, тем больше нерезонансных переходов в спектре излучения. Кроме того, при увеличении давления возрастает ширина линий излучения, а спектр приобретает вид отдельных полос (рис. 4.2, б). Уширение линий в газовом разряде связано со столкновительными процессами и эффектом Доплера. Дальнейшее увеличение давления приводит спектр излучения практически к сплошному с отдельными полосами (рис. 4.2, в).

Соотношения между тепловыми потерями, величиной резонансного и нерезонансного излучения в зависимости от давления газовой смеси при малых (тлеющий режим) и больших (дуговой разряд) плотностях тока показаны на рис. 4.3.

Как видно из представленных зависимостей, при малых плотностях тока (рис. 4.3, а) в области давлений менее 10^-2 мм рт.ст. излучение слабое, КПД низкий. С повышением давления до значений 10^-2 … 1 мм рт.ст. возрастает интенсивность излучения, доля тепловых потерь падает. В этом диапазоне преобладают резонансные линии. Благодаря малым тепловым потерям излучатели, работающие при малом давлении, могут эксплуатироваться без принудительного теплоотвода.

П ри больших плотностях тока (рис. 4.3, б) энергетически оправданны две области: диапазон 10^-2…1 мм рт.ст. и область больших – более 1000 мм рт.ст. давлений. Область 10^-2…1 мм рт.ст. отличается повышенным содержанием нерезонансного излучения и относительно малыми тепловыми потерями.

О бласть больших давлений характеризуется очень мощными потоками излучения, большим энерговыделениям и преимущественно нерезонансному составу излучения. Несмотря на большой КПД в этом диапазоне, энергетический режим очень напряженный, эксплуатация приборов сопряжена с необходимостью установки эффективных систем принудительного охлаждения.

Напряжение зажигания разряда всегда существенно выше потенциала ионизации, сложным образом зависит от газового состава, от давления, размеров разрядного канала и наличия различных примесей. Как установлено теоретически и проверено многочисленными экспериментальными исследованиями, эта зависимость для газа с данным компонентным составом описывается так называемыми кривыми Пашена (рис. 4.4) в виде функциональной связи U_заж = f(pd). В этой формуле p – давление газовой смеси, d – межэлектродное расстояние. Выделяют левую и правую ветви к ривой Пашена. На правой ветви потенциал зажигания растет с увеличением произведения pd из-за уменьшения длины пробега и соответственно уменьшения энергии электронов при их столкновениях с молекулами. В области левой ветви вероятность столкновения падает с уменьшением произведения pd поэтому напряжение зажигания растет, а разряд часто развивается по длинному пути, т.е. между элементами конструкции электродов, наиболее удаленных друг от друга. Свечение наблюдается во всем объеме и соответствует слаботочному режиму. В светотехнике преимущественно используется правая ветвь кривой Пашена.

При анализе хода зависимостей U_заж = f(pd) обращает на себя внимание случай, когда газовый состав представляет собой чистый неон с очень небольшой примесью аргона (порядка 0,1 %). Это, так называемая, «смесь Пеннинга». Низкий потенциал зажигания смеси Пеннинга обусловлен тем, что потенциал ионизации аргона (15,76 В) ниже потенциала ионизации неона (16,6 В) (см. табл. 4.1).Поскольку вероятность возбуждения атомов существенно выше вероятности ионизации, в газовой среде данного состава образуется большое количество атомов неона в возбужденном состоянии. Сталкиваясь с атомами аргона, они переводят атомы аргона в ионизированное состояние, в результате чего развиваются обменные процессы газового разряда. Пеннинговая смесь присутствует в газовом наполнении некоторых типов световых приборов для повышения вероятности зажигания разряда.

Таблица 4.1

Энергетические параметры основных газов

Газ, пар	U*, В	λрез, нм	U+, В	Примечание
He	21,2	58,2	24,58	ВУФ
Ne	16,6	74,3	21,56	ВУФ
Ar	11,56	106,7	15,.76	ВУФ
Kr	9,98	123,6	13,94	ВУФ
Xe	8,39	146,9	12,08	ВУФ
Na	2,1	589,6	5,12	Оранжевый
Cd	3,78	326,1	8,96	УФ
Hg	4,86	253,7	10,36	УФ

Как видно из таблицы, наиболее низкие значения потенциала возбуждения и ионизации свойственны парам металлов, им же свойственны и наиболее длинноволновые линии резонансного излучения.