精品气体放电原理复习.docx

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精品气体放电原理复习

第一次作业

总结紧凑型荧光灯的以下特性：

增加单位弧长辐射功率的原理，常用的管径，分类，采用的玻璃管材料、荧光粉类型和其他涂敷技术，控制灯中汞蒸气压的具体方法，基本的应用场合。

答：

（1）通过缩小管径，提高灯的E值来增加单位弧长辐射功率。

（2）传统的紧凑型荧光灯，小功率管径为12mm，中大功率为17mm，现在（为适应对灯体积进一步小型化的要求）常用管径减小到9mm和7mm。

（3）分为灯管和镇流器分开的非一体化紧凑型荧光灯，以及灯管和镇流器装在一起的一体化紧凑型荧光灯。

（4）往往采用低钠无铅玻璃，管壁负载较高的灯中还需涂敷保护膜。

采用稀土三带荧光粉，为降低成本可采用双涂层技术，为改善光维持性能可采用荧光粉包膜技术等。

（5）控制汞蒸气压的方法分为控制冷端温度和使用汞齐两种方法。

在紧凑型荧光灯中，通过接桥的高度来控制汞蒸气压是最常用的技术。

具有封闭灯罩的一体化紧凑型荧光灯则使用汞齐。

（6）主要用作照明，可用作壁灯、吸顶灯，作装饰照明之用，或替代白炽灯用在台灯等灯具中。

第二次作业

1.对40W的T12白色荧光灯，计算其表面负载。

解：

由表5.4.1可知Pl=40W的T12白色荧光灯的各个参数：

d=38mm，

Il=0.40A，E=0.81Vcm，αl=0.90，隋性气体为400Pa的氩气。

则管压降

为

l

V=Pl=111.11V.

αlIl

由图5.4.6可知充入400Pa氩气时的阴极位降为VAK≈17.5V，则正柱区长度为

l=Vl−VAK=115.57cm,

cE

暗区长度ld通常为20~40mm，如取30mm，则弧长为larc=lc+ld=118.57cm。

因此，灯管的表面负载为

W=Pl≈0.028Wcm2.

πdlarc

2.对400W的高压汞灯，计算其电弧管的表面负载。

解：

由表6.2.1可知，Pl=400W的高压汞灯的弧长larc=6.5cm，管径d的范围

为1.70~1.75cm，如取d=1.70cm，则其电弧管的表面负载为

W=Pl≈11.5Wcm2.

πdlarc

3.对75W的球形超高压汞灯，计算其泡壳的表面负载。

解：

由课本P226可知Pl=75W的球形超高压汞灯，其外半径r0=0.7cm，壁厚

t′=1.8mm，因此其泡壳的表面负载（定义为单位内表面上承受的功率）为

W=Pl≈22Wcm2.

4π（r0

−t′）2

4.对500W的毛细管超高压汞灯，计算其表面负载。

解：

由表6.3.2可知Pl=500W的球形超高压汞灯的参数为弧长larc=12.5mm，管

径d=2mm，则其表面负载为

Ws

=Pl≈637Wcm2.

πdlarc

第三次作业

1.从以下几个方面比较低压汞灯和低压钠灯的特性：

（1）最佳蒸气压和管壁温度、最佳直径、电流密度；

（2）共振辐射波段、光效

（3）惰性气体辅助启动的具体机制，最佳气压，有无其他考虑；

（4）放电管玻璃材料；

（5）电极材料和启动方式，工作温度；

（6）现在常用的灯启动方式和过程。

答：

（1）低压汞灯最佳汞蒸气压为0.8Pa，相应管壁温度为40℃，最佳直径为38mm，电流密度0.03~0.13A/cm2。

低压钠灯最佳钠蒸气压为0.4Pa，相应管壁温度为260℃，最佳直径为14~19mm，电流密度0.1~0.6A/cm2或更小。

（2）低压汞灯共振辐射波段为253.7nm和185.0nm的紫外波段，光效只有

5~6lm/W。

低压钠灯的共振辐射波段集中在589.0nm和589.6nm的钠黄双线，单纯这两条谱线的辐射光效为520lm/W，考虑所有输入功率全部变成辐射时的光效为

450lm/W，如选择最佳放电条件，可得250~300lm/W，实际常用的低压钠灯光效在200lm/W左右。

（3）低压汞灯充入惰性气体时通过惰性气体与电子的碰撞，增大电子与汞原子碰撞并使之电离的几率，充氩气时，氩－汞气体之间的潘宁效应辅助启动。

灯的着火主要是靠汞原子的电离。

最佳的氩气气压在100Pa左右，考虑到高气压对防止电极溅射、减少阴极蒸发、延长灯的寿命有利，应适当提高充气气压。

低压钠灯中，由于启动时钠原子浓度过低，灯的着火主要是靠氩气的电离。

充入氖－氩混合气体可利用其潘宁效应大大降低启动电压。

最佳气压为10~100Pa，考虑到减轻“氩清除效应”，气压应升高到400~2000Pa。

（4）低压汞灯的放电管玻璃主要是由硅酸盐玻璃制成，视对管壁负载的不同要求采用钠钙玻璃或低钠无铅玻璃等。

低压钠灯内壁必须使用只含极少量或不含二氧化硅的抗钠玻璃，可以使用套料玻璃。

（5）低压汞灯和低压钠灯的电极均主要为钨螺旋碱土金属（如钡）氧化物电极。

低压汞灯的电极主要（常）采用预热启动，电极工作温度为900~1000℃，而低压钠灯的电极常采用冷启动，热点工作温度（为）1200~1500K。

（6）低压汞灯常用电感镇流器启动，启动方式可分为带启辉器的启动方式和不带启辉器的启动方式。

带启辉器的启动过程：

电源接通时启辉器产生辉光放电，使双金属片与固定的电极接触，电流加热电极灯丝，使其达到热发射的温度，经过预热发射出大量电子，大大降低启动电压。

双金属片冷却一段时间后断开，断开瞬间在镇流器的两端产生一个很大的自感电动势，与电源电压叠加后作用到灯上，使灯点燃。

低压钠灯常采用开路电压较高的漏磁变压器直接启动。

2.从以下几个方面比较高压汞灯和高压钠灯的特性：

（1）放电辐射特性，放电气体状态（是否饱和）；

（2）灯启动方式和启动过程。

答：

（1）高压汞蒸气放电时，所产生的光谱线都被放宽，有效宽度随气压和电流密度而增加，同时谱线中心位置向长波或短波位移，大部分谱线往长波移动。

253.7nm和185.0nm的共振辐射自吸收严重，在很高的气压下短于280.0nm的区域完全没有辐射，并且出现一定的连续光谱背景。

放电气体处于非饱和工作状态。

高压钠蒸气放电时，钠的共振D线并未消失，而是出现自反现象，放宽了的共振线两翼得到加强，另外还有其他的可见光和红外辐射谱线，紫外辐射很少。

高压钠灯（放电气体）处于饱和工作状态。

（2）高压汞灯采用电感镇流器加辅助电极的启动方式，电源接通后，通过辅助电极和与它相邻的主电极之间的辉光放电产生大量的电子和离子，这些带电粒子在主电极电场作用下，很快产生繁流过程，过渡到两主电极之间的弧光放电。

高压钠灯不使用辅助电极，现在普遍采用电子启动器产生一个约3kV，

10~100μs的高压脉冲产生触发。

电路图见图7.3.11，在正半周中，电源对电容C1充电，在负半周，电源电压与电容C1上所充的电压叠加在一起加在可控硅T上。

在负半周的某一点，可控硅导通，原来加在它上面的电压几乎完全加在镇流

器的ab两端，从而通过自感获得大约3kV的高压脉冲，将灯击穿。

第四次作业

从以下几个方面比较钠－铊－铟灯和高压汞灯的特性：

（1）汞在灯中的作用；

（2）电弧管管壁工作温度、尺寸和管壁负载，放电轴心温度；

（3）电极材料；

（4）启动电压和重复着火电压；

（5）光谱能量分布特性；

（6）光效和显色性。

答：

（1）高压汞灯中，汞是发光物质，灯的辐射来源于汞原子，建立起高压汞蒸气放电。

在钠－铊－铟灯中，汞的辐射所占的比例很小，汞的作用主要是：

a.通过建立高气压（1~10atm）放电，阻碍金属蒸气和卤素气体扩散，来提高灯的光效；

b.通过降低电子迁移率，提高电场强度和管压，来改善灯的电特性；

c.由于室温时汞气压低，且能形成卤化汞，减少卤素原子对电子的吸附，有利于灯的启动。

（2）钠－铊－铟灯管壁工作温度一般为725~750℃，高压汞灯管壁工作温度一般在（为）600~750℃；钠－铊－铟灯的电弧管长度与直径之比一般不超过4或5:

1，比高压汞灯的电弧管更粗而短；钠－铊－铟灯的管壁负载约为14W/cm2，高压汞灯的管壁负载为9~10W/cm2；钠－铊－铟灯放电轴心温度约为4800K，高压汞灯的放电轴心温度约为5700K。

（3）高压汞灯中起先是采用功函数较低的钍－钨电极，后来较多（常）采用钡－钨类电极，现在（常采用）用得比较多的热电子发射材料是钡的钨酸盐。

而钠－铊－铟灯中不能采用钡－钨类电极，可采用纯钨电极，但常采用钍－钨电极或氧化钍－钨电极，另外还可以采用稀土金属氧化物（电极）作为发射材料。

（4）在气温较低的情况下，卤素和卤化物会吸收电子，形成稳定的负离子，导致钠－铊－铟灯的启动电压比高压汞灯要高，其重复着火电压也比高压汞灯高得多，而且还随温度而变化，在200℃左右达到最大值。

因此钠－铊－铟灯需要使

用新的镇流电路。

（5）两种灯的光谱能量分布特性主要有以下区别：

a.高压汞灯的辐射主要是由汞原子的辐射构成，而钠－铊－铟灯的光谱（辐射）主要是由钠、铊和铟的辐射构成，而不是由汞的辐射组（构）成的；

b.高压汞灯的大部分辐射位于紫外区，红外很少，而钠－铊－铟灯正好相反，紫外辐射减少，红外增加；

c.钠－铊－铟灯的可见光区辐射功率增加，并且在可见光区的分布比高压汞灯均匀。

（6）400W钠－铊－铟灯的光效为75~80lm/W，一般显色指数为60~65。

而高压汞灯的光效为40~60lm/W，400W高压汞灯的光效只有56lm/W左右，一般

250W高压汞灯的显色指数只有16左右，有荧光粉的高压汞灯显色指数约为48，自镇流高压汞灯显色指数约为52（但光效只为20lm/W）。

也就是说，钠－铊－铟灯与高压汞灯相比，在光效和显色性上都有明显提高。

1.第五次作业

2.短弧氙灯如何提高电弧的稳定性？

对灯点燃的位置有怎样的要求？

答：

短弧氙灯的放电电弧是对流稳定型电弧，提高电弧的稳定性主要有三种办法：

通过掺入杂质气体，提高灯的电场强度来提高电弧稳定性；通过缩短极间距离，使电弧在阴极收缩，来提高电弧稳定性，这时这种电弧是处于电极稳定型和对流稳定型之间的过滤稳定型电弧；通过增大放电电流来提高电弧稳定性。

由于对流稳定型电弧偏离垂直位置时，电弧的形状会改变，引起光电参数变化，属于对流稳定型电弧的短弧氙灯正常工作位置应是垂直方向的。

对极距很小，电弧属于过渡稳定型的短弧氙灯，则允许在任意位置上点燃。

3.（对流稳定型的短弧氙灯正常工作位置应是垂直方向的，过渡稳定型的短弧氙灯允许在任意位置上点燃。

）

4.

5.增大短弧氙灯的放电功率有哪些方法？

受哪些条件的制约？

答：

增大短弧氙灯的放电功率主要有增大电场强度和增大放电电流两个办法。

其中通过提高充气压强可以增大电场强度，但压强过高灯容易爆炸，电弧也不稳定，大功率灯由于泡壳直径大，机械强度较差，工作气压较低，小功率的灯工作气压可以高一些。

（增大短弧氙灯的放电功率主要有两个办法：

增大电场强度，但压强过高灯容易爆炸，电弧也不稳定；增大放电电流，受电极和石英玻璃的封装工艺制约。

）

3.为什么短弧氙灯的阳极体积很大而阴极体积较小？

在阳极上开槽的目的是什么？

答：

短弧氙灯的管压低，电流大，电极损耗占总功率的1/3，其中绝大部分能量都在阳极损耗，使阳极发热，主要依靠热辐射的形式散热，这样阳极需要有较高的工作温度和较大的体积，另外也需要有更大的表面积。

而阴极的尺寸主要参考电极尖的工作温度决定，主要考虑到使灯启动容易，必须使电极尖部很快热起来，达到所需要的温度，因此体积较小。

在阳极上开槽的目的是在不增大阳极体积的情况下尽量增大其辐射面积，以有利于散热。

（短弧氙灯的电极损耗占总功率的1/3，其中绝大部分能量都在阳极损耗，使阳极发热，阳极主要依靠热辐射的形式散热，这样阳极需要有较大的体积和表面积；为了使灯容易启动，必须使电极尖部很快热起来，因此

阴极体积较小，以减少热导。

在阳极上开槽的目的是：

增大阳极的辐射面积，而不增大阳极的体积。

）

4.脉冲氙灯的全伏安特性有何特点？

答：

脉冲氙灯的全伏安特性可见教材图9.3.5的右图。

其主要特点表现在它可以分为两个阶段，其中第一个阶段（图中的AB段）具有负的伏－安特性，对应于脉冲放电建立电弧的瞬态过程，且前进速度快时间短；第二个阶段（BC段）则

具有正的的伏－安特性，对应于类稳放电阶段，相对于第一阶段速度慢时间长。

（在瞬态过程阶段，具有负的伏－安特性，前进速度快时间短；在类稳放电阶段，具有正的的伏－安特性，相对于第一阶段速度慢时间长。

）

5.什么叫脉冲灯发光的有效持续时间和发光的前沿？

答：

脉冲灯的光强度－时间的典型曲线见教材图9.3.13。

从光强在上升过程中达到峰值光强Im的1/3的时间t2算起，到光强在下降过程中回落到峰值光强Im的

1/3的时间t4为止，这个时间间隔被称为发光的有效持续时间。

而在光强上升的

过程中，从光强达到峰值光强Im的0.1倍的时间t1算起，到光强达到峰值光强Im

的0.9倍的时间t3为止，这个时间间隔被称为发光的前沿。

第四章

OA段：

灯管中外致电离产生的带电粒子在电场作用下向电极运动，形成电流。

随电场增强，带电粒子速度增加，复合减少，使电流增大。

AB段：

灯管中所有外致电离产生的带电粒子全部到达电极，电流饱合。

BC段：

灯管中初始的带电粒子速度足够大，与中性原子碰撞时能使之电离，电离产生的电子被加速后再次进行电离碰撞，电子数雪崩式增加，称为雪崩放电。

CDE段：

通过灯管的电流突然增加至D点，管压降随即迅速降低，在灯管中产生可见的光辉。

C点称为气体放电的着火点，相应电压Vz称为着火电压。

EF段：

在电流增加过程中，管压降基本不变，称为正常辉光放电。

此范围内阴极并没有全部用发射，用于发射的面积正比于电流，阴极电流密度为常数。

FG段：

整个阴极面积用于发射，必须增大阴极电流密度以增大电流，造成管压上升，称为异常辉光放电。

GH段：

电极温度升高，转入热电子发射，管压大幅度降低，电流迅速增加，为弧光放电。

OC段放电是非自持的（黑暗放电），C点以后的放电是自持放电，E点开始是稳定的自持放电。

黑暗放电电流在10-6A以下，辉光放电电流10-6~10-1A，弧光放电电流在10-1A以上。

三级式发光过程：

自由电子被外电场加速

运动电子与气体原子碰撞，激发气体原子

受激原子返回基态时辐射发光

电阻镇流

平衡时，电阻上的电压降与灯管上的电压之和必须同开路电压相等。

A点：

不稳定

B点：

稳定平衡点，气体放电灯实际工作点。

总阻抗为正时，工作才能稳定。

R增大，B点左上移；

V0增大，B点右下移。

负阻特性

镇流器

可以使整个电路具有正的伏－安特性，从而克服电弧固有的不稳定性。

电阻镇流——直流电

电容镇流——高频交流电

电感镇流——交流电（市电），滞后型电路

电感-电容镇流——超前型电路

辉光放电

辉光放电灯从阴极到阳极的空间可分为：

阴极区；负辉区；法拉第暗区；正柱区；阳极区。

阴极区是辉光放电的必不可少的区域，

弧光放电

弧光放电通常由阴极位移区、正柱区和阳极位降区3部分组成。

辉光放电与弧光放电的区别

辉光放电由阴极区、负辉区、法拉第暗区、正柱区、阳极区5部分组成，而弧光放电由阴极位降、正柱区和阳极位降3部分组成；辉光放电工作于高电压、小电流，而弧光放电工作于低电压、大电流；低气压弧光放电的正柱区除具有更高的带电粒子浓度外，与辉光放电正柱区的性质基本一样，但是，在高压弧光放电中则有着不同的物理过程和性质。

高压汞灯、高压钠灯是管壁稳定型电弧；短弧氙灯属对流稳定型电弧；球型超高压汞灯是电极稳定型电弧

与热辐射相比，气体放电辐射有显著的优点：

（1）不受灯丝材料熔点的限制，比任何固体或液体所能获得的温度都高

（2）辐射光谱可以选择，选择适当的发光物质可使辐射尽可能集中在所需的波长，使其他波段的辐射尽可能减少甚至为零。

上述两个优点使气体放电光源的光效远远超过热辐射光源，并超过了黑体的最高光效。

（3）光源寿命很长，在寿命期内光输出的维持性能也很好。

AB段：

有越来越多激发态原子逐次电离后发出可见光，光效随气压升高。

BC段：

弹性碰撞几率增加，汞蒸气温度升高，造成“体积损耗”，光效降低。

CD段：

轴心温度高，产生热电离和热激发；管壁温度低，电弧向轴心收缩。

DE段：

为1~5atm，电弧轴心温度约为5500K，出现电弧绳化现象，高压汞灯的工作区域。

EF段：

超高气压放电。