Лампы галогенные. Процессы на электродах и в приэлектродных областях дуговых разрядов низкого давления
Общая картина физических процессов на горячем катоде и в прикатодной области дуговых разрядов. Составленная на основе большого числа экспериментальных исследований и теоретических оценок, она выглядит следующим образом. При увеличении силы тока увеличивается нагрев катода, и при некоторой температуре катода (силе тока) разряд у катода стягивается в яркую светящуюся область, которая придвигается почти вплотную к поверхности катода. При этом происходит резкое снижение катодного падения потенциала до величины порядка потенциала ионизации газовой среды у поверхности катода (т. е. до 5—15 В). Тлеющий разряд переходит в дуговой. Активированный катод нагревается в катодном пятне (КП) до температуры, при которой значительная часть тока разряда обеспечивается током термоэмиссии. Катодным пятном будем называть нагретый участок поверхности катода, эмиттирующий основную часть электронов. осветить ванную комнату. Свет для мытья и свет для бритья.
Главная часть катодного падения потенциала происходит в весьма тонком слое двойного пространственного заряда, непосредственно примыкающего к поверхности КП, — в так называемом ленгмюровском слое. При наличии КП толщина этого слоя значительно меньше длины свободного пробега электронов, поэтому они проходят его практически без столкновений и попадают в следующую область с энергией, равной пройденной разности потенциалов. Здесь они принимают непосредственное участие в возбуждении и ионизации газа, теряя при этом часть своей энергии. Эта область носит название области неравновесной ионизации, поскольку в ней с расстоянием от катода меняется функция распределения электронов по энергиям (ФРЭ), концентрация электронов и скорость ионизации.
Возникающие в этой области пары зарядов постепенно компенсируют объемный заряд, и напряженность электрического поля резко падает. Поэтому движение зарядов из этой области происходит под действием слабого электрического поля и биполярной диффузии. Часть ионов, направляющаяся в сторону катода, попадая в ленгмюровский слой и пройдя его, приобретает кинетическую энергию, примерно равную пройденной разности потенциалов. Падая на катод, они отдают ему значительную часть кинетической энергии и энергии ионизации и таким образом поддерживают его в нагретом состоянии, обеспечивающем необходимую термоэмиссию. Наличие больших напряженностей электрического поля у поверхности КП снижает работу выхода и увеличивает ток термоэмиссии. Рекомендации по освещению помещений, квартир
Сведения об экспериментальных методах и результатах исследования процессов на электродах и в приэлектродных частях разрядов НД.
Таков по современным воззрениям замкнутый цикл процессов, определяющих характеристики КП и прикатодных областей дуговых разрядов. В принципе такой же цикл взаимосвязанных процессов сохраняется для всех стационарных дуговых разрядов с КП как при низком, так и при высоком давлениях.
Рассмотрим взаимосвязи процессов в КП и прикатодной области на примере дуговых разрядов НД в смеси паров ртути с инертными газами и оксидными катодами, применяемых в люминесцентных лампах.
Все эти величины можно рассчитать теоретически, а многие из них измерить непосредственно экспериментально и таким образом проверить механизм процессов и усовершенствовать математическую модель. Для теоретического расчета этих величин составим следующую систему из шести независимых уравнений, связывающих эти величины между собой, с условиями разряда и свойствами электрода в стационарном режиме.
Относительная концентрация быстрых электронов приблизительно на порядок меньше концентрации медленных электронов и убывает с расстоянием от катода примерно по экспоненте. Они играют основную роль в процессах ионизации у катода. Поэтому исходным пунктом для расчетов прикатодной области является определение ФРЭ в зависимости от расстояния от катодного пятна. Рассеяние энергии быстрых электронов происходит преимущественно за счет кулоновских взаимодействий и лишь частично неупругих соударений с атомами. Специальные лампы Лампы накаливания
Оценки показывают, что при давлениях инертного газа порядка нескольких сот паскалей длина свободного пробега быстрых электронов для упругих соударений с атомами газа примерно на порядок меньше кулоновской длины свободного пробега и длины свободного пробега для неупругих соударений. Поэтому, прежде чем значительно изменится энергия быстрых электронов, они многократно поменяют направление своего движения так, что функция их распределения в пространстве скоростей станет близкой к симметричной, и ее можно представить в виде
fe(ee, |)*^вмЫ[1-Н>(8* I)].
где гр — возмущение в симметричной части функции распределения, вызванное ускорением электронов в слое пространственного заряда; fEM — функция Максвелла; g = r/L —расстояние, отсчитываемое в направлении, перпендикулярном поверхности катода; L — характерный линейный размер, на котором происходит релаксация ФРЭ.
Значение в общем случае находится путем решения кинетического уравнения [9.6].
Скорости возбуждения и ионизации в прикатодной области рассчитываются по формулам гл. 2, но с соответствующей функцией распределения и учетом ее изменения с расстоянием.
Расчеты привели к следующим важным выводам.
а) В процессах возбуждения и ионизации атомов из нормального состояния решающую роль играют быстрые электроны. Их роль заметна также при ионизации из нижних возбужденных состояний.
б) В прикатодной области благодаря наличию быстрых электронов происходит преимущественное возбуждение и ионизация атомов аргона, криптона или ксенона, при этом скорость ступенчатой ионизации, по крайней мере, на порядок превосходит скорость ионизации из нормального состояния. Ни прямая, ни ступенчатая ионизация атомов ртути не играют заметной роли. Поэтому ионный ток на катод состоит в основном из ионов инертного газа, а не ртути. Положение несколько сложнее для неона, имеющего значительно более высокие потенциалы возбуждения и ионизации, чем ртуть. Эксперименты показывают, что в этом случае заметную роль играет ионизация ртути (падение UK при повышении t(pHg)). Но, как полагает С. Решенов, и в этом случае ионы ртути не могут попасть на катод, так как возникают на больших расстояниях от него.
в) Поскольку область пространственного заряда и следующая за ней область сильного поля имеют продольные размеры, в несколько раз меньшие длины свободного пробега электронов, можно считать, что основная ионизация происходит в следующей области- области слабого поля. Условно ее можно разделить на область неравновесной ионизации и диффузионную область. В области неравновесной ионизации сосредоточена основная доля процессов генерации ионов, часть из которых попадает на катод, другая часть ионов уходит в область диффузии и из нее уносится к стенкам колбы.
г) Важное значение для конкретных расчетов имеет учет геометрической конфигурации КП (плоскость, цилиндр и т. д.). Характеристики слоя пространственного заряда, поскольку в большинстве случаев он имеет толщину на несколько порядков меньше размеров катода, можно рассчитывать в одномерном приближении.
д) Расчеты показывают, что дополнительный прирост потенциала в области сильного поля обычно не превышает 1 В. В области слабого поля потенциал достигает максимума и начинает уменьшаться так, что поле меняет знак, поэтому ионы из этой области практически не могут попадать на катод. Слабое поле в области основной генерации ионов и достаточная протяженность этой области позволяют рассматривать процессы переноса зарядов в ней в диффузионном приближении.