4.15. Импульсные источники света

4.15.1. Основы теории импульсных источников света

Области применения импульсных источников света

1. Фотовспышки.

2. Проблесковые огни летательных аппаратов, морских и речных судов.

3. Стробоскопические устройства.

4. Системы накачки твердотельных лазеров.

5. Декоративные устройства (световые эффекты).

Основные требования к импульсным источникам света:

• быстродействие;

• высокая яркость (в зависимости от области применения);

• малые габариты;

• соответствующий спектральный состав;

• большой срок службы (по числу вспышек).

Газоразрядные лампы импульсного действия функционируют в основном при повышенных давлениях рабочего газа. В этих условиях переход от несамостоятельного газового разряда к самостоятельному всегда сопровождается быстро протекающим физическим процессом, характеризуемым понятием «электрический пробой».

Предлагается следующая классификация типов электрического пробоя при высоком давлении.

А – пробои при малых превышениях статического пробивного напряжения, небольших межэлектродных расстояниях, слабой неоднородности электрического поля и в отсутствие внешней ионизации.

B – статический пробой длинных промежутков (типа молнии) либо при сильно неоднородном электрическом поле.

C – пробой при кратковременной подаче на электроды напряжения, значительно превышающего напряжение пробоя в статическом режиме (импульсный пробой).

D – высокочастотный пробой (случай, когда частота прикладываемого напряжения соответствует частоте соударения газовых частиц).

E – пробой при подаче напряжения на вспомогательный электрод, создающий начальный разряд, инициирующий пробой основного разрядного промежутка.

Создание математической модели процессов, протекающих в газоразрядном промежутке при электрическом пробое, затруднено в силу следующих особенностей.

1. Многие процессы развития газового пробоя носят весьма крутой – экспоненциальный характер (ионизация электронным ударом, фотоионизация и т.д.).

2. Наличие в газовом столбе многочисленных циклических процессов.

Затруднены и экспериментальные исследования, поскольку неотъемлемой особенностью газоразрядных процессов является следующее.

1. Кратковременность отдельных стадий развития пробоя.

2. Изменение ряда параметров разряда в очень широком диапазоне (в сотни и тысячи раз), создающее большие трудности при выборе техники измерения.

3. Большие искажения в измерительной цепи, возникающие под воздействием пространственного заряда в районе установки электрических зондов.

Пробои типа a, b и c

В настоящее время практикуется два подхода к описанию процесса развития электрических пробоев типа A, B и C.

Таунсендовский механизм «раскачивания» ионизации газового столба. В соответствии с этим методом просматривается размножение зарядов, образующихся после того, как появились первые случайно возникшие одиночные электроны. Под воздействием электрического поля электроны разгоняются и, набрав определенную скорость, при столкновении с нейтральными атомами переводят их в ионизированное состояние (α-процесс, главным образом вблизи анода), после чего появляются новые электроны. При высоких потенциалах ионы, двигающиеся к катоду, способны вызвать ионизацию нейтральных атомов (β-процесс). Образующееся в разряде свечение способно вызвать объемную фотоионизацию (η-процесс). Ионы, подлетающие к катоду, вызывают вторичную ионно-электронную эмиссию (γ-процесс). Свечение разряда вызывает фотоэлектронную эмиссию с катода (δ-процесс). Возрастание эмиссии связано также с воздействием возбужденных атомов на катод (ε-процесс).

Последние два фактора можно рассматривать как составляющие γ-процесса. Фотоионизацию – как часть α-процесса. В этом случае условия возникновения пробоя представляются в виде:

(α γ + β)e^{(α + β)l} = (1+ γ) α,

где l – длина межэлектродного промежутка.

Обычно β << α и условия возникновения пробоя приобретают вид:

γ(e^αl –1) = 1,

широко используемый в теории газоразрядных приборов.

Таунсендовский механизм справедлив при не слишком больших давлениях, когда нет еще стягивания (контрагирования) разряда в тонкий проводящий канал.

При больших давлениях преимущественно рассматривается так называемая стримерная модель развития пробоя.

В соответствии со стримерной моделью основным этапом развития газового разряда является лавинообразное распространение плазменного канала в межэлектродном пространстве.

При больших значениях давления газа и межэлектродного расстояния напряжение зажигания разряда велико и электронная лавина, инициированная выходящими из катода электронами, развивается очень интенсивно. За счет этого в головке лавины вблизи анода создается высокая концентрация электронов и ионов, которые могут рекомбинировать между собой. Энергия, выделяющаяся при рекомбинации, частично излучается в виде фотонов. Возникающая под действием фотонов ионизация захватывает все области межэлектродного промежутка. В результате рождаются новые «дочерние» лавины. В лавине формируется большой пространственный заряд ионов. В результате по направлению к катоду быстро перемещается фронт ионизованного газа – «стример». Момент пробоя соответствует состоянию, когда стример замыкает межэлектродный промежуток. Время формирования пробоя становится приблизительно равным времени пролета промежутка одной электронной лавиной.

Напряжение горения – достаточно стабильная величина. При изменении питающего напряжения изменяется только ток разряда. Отмечаются участки, когда разряд отсутствует и прерывается свечение. Частота импульсов свечения в два раза выше частоты питающего напряжения из-за симметрии условий горения.

Д уговой разряд может поддерживаться термоэмиссией катода с подогревом электрическим током и последующим саморазогревом энергией ионной бомбардировки. Этому режиму соответствуют невысокий уровень давления и сравнительно небольшое энерговыделение.

Условия развития стримерной модели пробоя зависят от расстояния между электродами, давления газа и его состава. При малых межэлектродных расстояниях l и небольшом превышении прикладываемого напряжения ΔU над напряжением статического пробоя U_ст проявляется таунсендовская модель развития пробоя (разряд типа A). По мере увеличения межэлектродного расстояния стримерный механизм (разряд типа C) возникает уже при небольших значениях ΔU/U_ст и переходит в разряд типа B. Например, для сухого воздуха при атмосферном давлении и плоских электродах переход в разряд типа B возникает при межэлектродном расстоянии 6 см (рис. 4.50).