气体放电原理复习

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1、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 12 mm， 中大功率为 17 mm， 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 9 mm 和 7 mm。（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

2、 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。lsss第 二次 作业1. 对 40 W 的 T12 白色荧光 灯， 计算其 表面 负载。解 ： 由 表 5.4.1 可 知 Pl = 40 W 的 T12 白 色

3、 荧 光 灯 的 各 个 参 数 ： d = 38 mm ，Il = 0.40 A ， E = 0.81 V cm ， l = 0.90 ，隋性气体为 400 Pa 的氩气。则管压降为V = Pl = 111.11 V.l Il由图 5.4.6 可知充入 400 Pa 氩气时的阴极位降为 VAK 17.5 V ，则正柱区长度为l = Vl VAK = 115.57 cm,c E暗区长度 ld 通常为 2040 mm，如取 30 mm，则 弧长 为 larc = lc + ld = 118.57 cm 。 因此，灯管的 表面负载 为W = Pl 0.028 W cm2 . dlarc2. 对 4

4、00 W 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 = 400 W 的高压汞灯的弧长 larc = 6.5 cm ，管径 d 的范围为 1.701.75 cm，如取 d = 1.70 cm ，则其电弧管的表面负载为W = Pl 11.5 W cm2 . dlarc3. 对 75 W 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 = 75 W 的球形超高压汞灯，其外半径 r0 = 0.7 cm ，壁厚t = 1.8 mm ，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 22 W

5、 cm2 .4 ( r0 t)24. 对 500 W 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 = 500 W 的球形超高压汞灯的参数为弧 长 larc = 12.5 mm ， 管径 d = 2 mm ，则其表面负载为Ws = Pl 637 W cm2 . dlarc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

6、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 38 mm，电流密度 0.030.13A/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 1419mm，电流密度 0.10.6A/cm2 或更 小。（2）低压汞灯 共振辐 射波段为 253.7 nm 和 185.0 nm 的紫外波 段，光效只有56lm/W。低压钠灯的共振辐射波段集中在 589.0 nm 和 589.6 nm 的钠黄双线， 单纯这两条谱线的辐射光效为 52

7、0 lm/W，考虑所 有输入功率全部变成辐射时的光效为450 lm/W， 如选择最佳 放电条件 ， 可得 250300lm/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 100 Pa 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

8、降 低启动电压。 最佳气压 为 10100Pa，考虑到减轻“ 氩清除效应” ，气压应升高到 4002000 Pa。（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 9001000 ， 而低压钠灯的电极常采用冷启动，热点工作温度（为） 12001500 K。（6）低 压汞灯 常用电感镇流器启动， 启动方 式可分为 带启辉

9、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

10、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。253.7 nm 和 185.0 nm 的共振辐射自吸收严重， 在很高的气压下短于 280.0 nm 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

11、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 3 kV，10100 s 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 3 kV 的高压脉冲，将灯击穿。第 四次 作业从

12、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 （110 a tm） 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

13、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 725750 ， 高压汞灯管壁工作温度一 般在（为） 600750；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 14 W/cm2，高压 汞灯的管壁负载为 910 W/cm2；钠铊铟 灯放电轴心温度约为 4800 K，高压汞灯的放电轴心温度约为 5700 K。（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（

14、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

15、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）400 W 钠铊 铟灯的光效为 7580 lm/W，一般显色指数为 6065。而高 压汞灯的光效为 4060 lm/W，400 W 高压汞 灯的光效只有 56 lm/W 左右，一般250 W 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 20 lm/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 。第 五次 作业1. 短 弧氙 灯如 何提高电 弧的 稳定性 ？对 灯点燃 的位 置有