1.5. Разрядные источники излучения

Электрическая энергия, подводимая к разрядному источнику излучения, преобразуется в энергию излучения посредством возбуждения в нем того или иного вида электрического разряда в среде, заполняющей междуэлектродное пространство.

Типичный разрядный источник излучения представляет собой два основных электрода, расположенных в прозрачном для излучения баллоне (из тугоплавкого стекла, плавленого кварца или оксида алюминия) и снабженных герметично впаянными электрическими вводами. При работе эмиссия электронов из электродов (или только из катода – при питании постоянным напряжением) обеспечивается посредством их нагревания от специального источника (редко) или разрядным током и ионной бомбардировкой (самокалящиеся электроды).

Как правило, в разрядных источниках используются достаточно интенсивные виды разряда (тлеющий, дуговой или импульсный), позволяющие генерировать потоки излучения в широкой области изменения их энергетических, спектральных, временных и пространственных параметров.

Если разряд в приборе отсутствует, то напряжение , приложенное между электродами, ускоряет первоначально имеющиеся в объеме свободные электроны (и ионы), которые, двигаясь вдоль поля на длине свободного пробега , приобретают кинетическую энергию , где - расстояние между электродами, а изменяется в зависимости от давления по формуле (мм рт.ст.). Из этого следует, что при высоком давлении заряженные частицы и атомы даже при наличии поля двигаются преимущественно хаотически, а при низких давлениях даже в слабом поле – в основном направленно.

Если при соударении энергия электрона меньше энергии возбуждения атомов или их энергии ионизации , то столкновения называются упругими, при которых в среднем электрон передает атому малую часть своей кинетической энергии и, продолжая участвовать в упругих соударениях, накапливает энергию. Это важный для развития разряда процесс, однако потенциальная энергия атомов при этом не изменяется, новые свободные заряды в объеме не возникает и ток в цепи при изменении напряжения на приборе не изменяется. Если энергия электронов при соударениях превышает значение , появляются возбужденные атомы, при столкновениях с которыми электроны могут производить как возбуждение, так и ступенчатую ионизацию, еще не имея энергии . Вероятность таких процессов может быть особенно заметной при возбуждении атомов в метастабильные состояния, которые возникают обычно при достаточно большой интенсивности разряда.

Когда энергия электронов превышает , начинается все более интенсивная ионизация атомов. Концентрация заряженных частиц обоих знаков в объеме быстро увеличивается настолько, что становится заметным влияние на процессы в разряде собственного кулоновского поля электрических зарядов в объеме. Поскольку из-за большой массы ионов их удельный заряд много меньше по сравнению с электронами, то, двигаясь значительно медленнее последних, ионы остаются в разрядном пространстве значительно дольше электронов и поэтому влияют на распределение поля в приборе значительно сильнее.

Вследствие этого в большинстве стационарных разрядов возникает характерный потенциальный рельеф:

• область сравнительно слабого поля, занимающая почти все разрядное пространство (так называемый положительный столб) и

• узкая (до ) вблизи от катода область очень сильного поля (так называемое катодное падение потенциала), в пределах которой падает почти все приложенное к прибору напряжение.

В катодном падении происходит эффективное ускорение носителей заряда: электронов - для ионизации атомов уже на выходе из , а ионов - для бомбардировки катода или с целью выбивания вторичных электронов и ионов (при вторичной ионно-электронной эмиссии), либо с целью нагревания катода (для обеспечения термоэлектронной эмиссии).

Положительный столб разряда выполняет две функции:

1. служит проводником разрядного тока, обеспечивая попутно своим слабым полем восполнение убыли заряженных частиц, уходящих на стенки баллона;

2. является источником излучения разрядной плазмы, которое может использоваться по-разному: или снаружи баллона, или после преобразования внутри баллона, например, с помощью люминофора в осветительных приборах.

Сильное поле вблизи катода улучшает условия накопления электронами энергии и облегчает их эмиссию из катода, сопротивление разрядного промежутка при этом снижается и потому разряд горит при напряжении меньшем, чем напряжение его зажигания . В связи с этим большинство разрядных приборов включаются в электрические схемы последовательно с источником питания с напряжением питания и достаточным ограничительным сопротивлением , которое позволяет регулировать ток в соответствии с формулой .

При зажигании разряда в объеме прибора формируется разрядная плазма, которую принято определять как квазинейтральную среду, содержащую электроны, ионы, нейтральные атомы и фотоны, находящиеся в состоянии хаотического или направленного движения и взаимодействующие друг с другом. Отметим, что это определение справедливо при условии, что плазма занимает объем с размером во много раз больше дебаевского радиуса . Приведем пример: пусть при атмосферном давлении ( Проделав соответствующие вычисления, получим 10 . Таким образом, состояние плазмы характеризуется двумя главными величинами: температурой и концентрацией частиц в ней.

Основными процессами излучения плазмы являются[1.10]:

1. Тормозное излучение – следствие резкого изменения скорости (кинетической энергии) электрона при взаимодействии с кулоновским полем других частиц. Если кинетическая энергия электрона полностью преобразуется в энергию излучения, то из равенства легко оценить область спектра, в которой находится тормозное излучение и скорость движения электрона. Так, например, при = 3000 К, получим = 4,8 мкм (ИК область) и = 300 км/с = км/час. Тормозное излучение характеризуется сплошным спектром, так как кинетическая энергия не квантована. Мощность тормозного излучения зависит от концентраций электронов и ионов, порядкового номера элемента и электронной температуры. Тормозное излучение является основным процессом для управляемого термоядерного синтеза (УТС).

2. Рекомбинационное излучение является результатом захвата электронов ионами. Очевидно, что при рекомбинации должна выделяться как кинетическая энергия электрона, так и потенциальная энергия иона, которая была затрачена на его ионизацию, т.е. E_кин + E_i , поэтому рекомбинационное излучение имеет сплошной спектр с наложением линий атомной структуры. Мощность рекомбинационного излучения ; ослабление рекомбинации при больших температурах обусловлено меньшей вероятностью взаимодействия частиц при больших разностях их скоростей. Различие температурных зависимостей тормозного и рекомбинационного излучений может приводить к тому, что для плазмы из одинаковых атомов при относительно низких температурах может преобладать излучение рекомбинации, а при более высоких - тормозное.

3. Спонтанное излучение обусловлено переходами возбужденных атомов из верхнего E₂ в нижнее E₁ энергетическое состояние с испусканием фотона частоты . Поэтому спектр спонтанного излучения низкотемпературной или сильно разреженной плазмы состоит из отдельных узких спектральных линий резонансного излучения, а в спектрах высокотемпературной и плотной плазмы проявляется вклад линий нерезонанасного и теплового излучения. При этом выход резонансного излучения уменьшается вследствие его сильного поглощения и спектр излучения сдвигается в коротковолновую область. Особенностью спонтанного излучения является его зависимость даже от малой примеси тяжелых атомов, которая в основном обусловлена вкладом излучения возбужденных примесных атомов и ионов. Ясно, что этот эффект полезен в разрядных источниках излучения и вреден в тех применениях плазмы, в которых излучение играет роль потерь (например, в УТС).

4. Бетатронное (циклотронное, магнитотормозное) излучение возникает вследствие движения электронов по криволинейным траекториям при помещении плазмы в однородное магнитное поле, индукция которого направлена перпендикулярно скорости электронов. Под действием магнитной составляющей силы Лоренца электрон, двигающийся с постоянной скоростью (рис. 1.ээ), будет описывать ларморову окружность радиуса с периодом , соответствующим основной гармонике частоты и длине волны ( надо подставлять в Тл, чтобы получить в м). Бетатронное излучение имеет практическое значение в кольцевых ускорителях заряженных частиц (вызывает излучательные потери энергии) и в мощных МГД-генераторах как процесс, также вызывающий потери энергии из-за совпадения частоты соударений электронов с частотой их обращения по ларморовской окружности, что порождает угловой сдвиг между током и направлением напряженности электрического поля. Для примера, генератор, имеющий ~3 Тл, будет характеризизоваться частотой обращения электронов равной ~ 85 ГГц.

Вернемся к рассмотрению разрядных источников излучения. При необходимости собственное излучение разряда источника может изменяться по ряду параметров с целью адаптации его свойств к условиям применения. В ряде случаев излучение разрядов в газах и парах металлов (для воспроизведения изображений, рекламы и др.) может использоваться без дополнительных преобразований, в других случаях – например, для целей освещения, требуется спектральное преобразование излучения, обусловленное как необходимостью фильтрации вредных для зрения участков ультрафиолетового спектра, так и достижением требуемых уровней яркости и цветности излучения.

Люминесцентные лампы (ЛЛ) низкого давления – относятся к самым распространенным в практике внутреннего промышленного и общего освещения приборам, которые являются наиболее характерным примером последнего случая

Типичная ЛЛ представляет собой стеклянную трубку диаметром около 40 мм и длиной 100…120 см, вблизи от торцов которой расположены два оксидных спиральных вольфрамовых термокатода. Каждый катод имеет два вывода, которые позволяют включать ЛЛ в электрическую схему последовательно со стартером, балластным элементом схемы и источником электропитания переменного тока. Внутренняя поверхность баллона лампы покрыта слоем люминофора – галофосфата кальция (смесь CaF₂ и CaCl₂), активированного атомами сурьмы Sb и марганца Mn. Баллон ЛЛ наполнен смесью аргона (~350…400 Па) и насыщенного ртутного пара. Поскольку атомы ртути характеризуются меньшими энергиями возбуждения и ионизации (4,7 и 10,4 эВ соответственно) по сравнению с атомами аргона (11,5 и 16 эВ), то в разряде возбуждаются и ионизуются преимущественно атомы ртути и они же излучают в основном резонансные ультрафиолетовые линии 185 и 254 нм, которые интенсивно поглощаются слоем люминофора. Анализ упрощенной модели распространения в нем возбуждающего УФ излучения разряда и рассеяния собственного видимого люминесцентного излучения люминофора показывает [1.2, С. 292, 363], что эффективность люминофора является экстремальной функцией его толщины. На практике толщину слоя галофосфатного люминофора известного состава обычно определяют экспериментально.

В практике общего освещения находят применение и так называемые энергоэкономичные люминесцентные лампы (ЭЛЛ) [1.2, С. 410], практически полностью взаимозаменяемые со стандартными ЛЛ в процессе эксплуатации (по схемам включения, электрическим и светотехническим параметрам), и отличающиеся от них пониженным на ~10 % расходом электроэнергии, меньшим расходом материалов, но наряду с этим - повышенной скоростью спада яркости свечения люминофора в процессе эксплуатации (из-за его большей энергетической нагрузки), а также большей их стоимостью, которая обусловлена удорожанием наполняющего газа и люминофора.

К последним по времени модификациям ЛЛ относятся так называемые энергосберегающие или компактные (КЛЛ) люминесцентные лампы, создание которых стало возможным благодаря разработке так называемых узкополосных люминофоров (УПЛ) на основе алюминатов или оксидов некоторых металлов, активированных ионами редкоземельных металлов [1.2 С. 367]. Эти люминофоры, отличающися от галофосфатных сравнительно узкими полосами люминесценции преимущественно в синей (450 нм), зеленой (540 нм) и красной (610 нм) областях спектра, способны длительное время (8…10 тыс. часов) стабильно работать при повышенных УФ облученностях и относительно слабом спаде потока излучения (на 20…30 %). При этом УПЛ характеризуются по сравнению с галофосфатными люминофорами значительно большей (до десятков раз) стоимостью. В отличие от обычных люминесцентных ламп разряд в КЛЛ возбуждается в тонкостенных стеклянных трубках с наружным диаметром мм и такой длины, которая обеспечивает требуемые электрические и светотехнические параметры лампы. К недостаткам КЛЛ следует отнести выраженное сосредоточение их полосатого спектра излучения в основном вокруг указанных выше длин волн (синей, зеленой и красной), а также зависимость их светового потока, светоотдачи и цвета свечения от температуры окружающей среды и положения при работе (цоколем вверх или вниз).

В последнее время (с 2009 г.) в России, следуя зарубежному опыту в области энергосбережения, придается особая важность быстрому внедрению в практику общего освещения таких КЛЛ, которые пригодны для установки непосредственно на место ламп накаливания, т. е. снабжены стандартным резьбовым цоколем Е27, вмещающим малогабаритную электронную пускорегулирующую аппаратуру (ПРА), имеют стандартное напряжение питания (220 В) и приемлемые номиналы светового потока.