Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ЛЕКЦИЯ 17
ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ (Л)
Л - излучение вещества при сообщении ему энергии, дополнительное к его тепловому излучению.
Под действием внешней энергии атомы возбуждаются и при возвращении в невозбужденное состояние - излучают ОИ.
Л-излучение, также как тепловое излучение – спонтанное, некогерентное, немонохроматическое
Кинетическая энергия электронов Ee = meve2 /2 добавляется к энергии атомов E (атомы возбуждаются электронами)
meve2 /2= E hл,
и через некоторое время – время жизни, атомы теряют эту энергию – переходят в невозбужденное состояние, и эта энергия переходит в энергию фотона;
me - масса электрона;
ve - скорость электрона;
E - энергия электрона;
h -постоянная Планка;
л - частота люминесцентного ОИ.
hп = E hл,
где п - частота поглощенного ОИ.
Правило Стокса - л > п
Пример: кристалл Рубина Al2O3 (окись алюминия) + Cr2O3(окись хрома).
Ионы хрома возбуждаются при поглощении синего с и зеленого з света
Излучение ионов хрома – монохроматическое.
Электролюминесценция газов
– свечение газа под действием электронов, которые образовались под действием электрического напряжения.
U E hл.
Электро Л газов реализуется в газоразрядной трубке – стеклянная трубка с впаянными К и А с откачанным воздухом и наполненной инертным газом (неон, аргон, ксенон).
Предватительно ток течет только через электроды, разогревая их. Из нагретого катода вылетают электроны, которые направляясь к аноду с большой скоростью, сталкиваются с атомами газа и ионизируют их.Под действием высоковольтного импульса напряжения в трубке возникает газовый разряд, при котором все атомы ионизируются и газ становится проводником и через него течет ток электронов.
Газовый разряд – это процесс протекания электрического тока через газ. В обычном состоянии газ – диэлектрик, т.е. изолятор (атомы – нейтральны). При ионизации (возбуждении, при отрыве электронов от атома) газ становится проводником тока.
Ионизация атомов возникает при бомбардировке атомов быстро движущимися электронами. Ионизация имеет место при сообщении атому энергии, большей энергии ионизации:
.
Электропроводность газов возникает в результате ионизации газа.
Интенсивность ионизации определяется числом пар противоположных по знаку заряженных частиц (электронов и ионов), возникающих в единице объема в единицу времени.
Несамостоятельный газовый разряд – электропроводность газа вызывается внешним ионизатором – разогретым катодом, испускающим термоэлектроны (внешний ионизатор – термоэлектроны).
Самостоятельный газовый разряд – электрический разряд в газе, продолжающийся при отключении внешнего ионизатора. Свободные электрические заряды возникают в результате ударной ионизации электронами и положительно заряженными ионами самого газа. При этом проводимость газа резко возрастает.
Переход от несамостоятельного газового разряда в самостоятельный называется электрическим пробоем. Пробой возникает при напряжении пробоя (напряжении зажигания).
Самостоятельный газовый разряд:
Тлеющий газовый разряд – возникает при низком давлении (несколько десятков мм.рт.столба) и большом промежутке между К и А (десятки см).
Дуговой газовый разряд – при высоком давлении (до 100 атмосфер) и малом промежутке между К и А (0,1 мм…10мм).
Дуговой разряд – плазма – состояние вещества с высокой степенью ионизации.
Параметры тлеющего и дугового разряда
|
Вид разряда |
Рабочее напряжение, В |
Плотность тока, А/см3 |
Температура, К |
Концентрация электронов 1/см3 |
Относительная ионизация |
|
Дуговой |
10…100 |
102…103 |
103 |
1013 |
1 |
|
Тлеющий |
100 |
10-3…10-1 |
3х102 |
109…1011 |
10-2 |
Относительная ионизация – отношение числа ионизированных атомов (ионов) к полному числу атомов (ионизированных и неионизированных).
Дуговой разряд – при большой плотности тока;
Температура катода – 30000С;
Температура дуги – 5000…60000С.
Электролюминесценция газов – свечение газа под действием электрического поля является результатом ионизации газа под действием электрического напряжения и последующей рекомбинации.
Пример: газ неон Ne - имеет 28 энергетических уровней. Основная масса электронов имеет 4 энергетических уровня.
Спектр ОИ – линейчатый (набор монохроматических излучений).
Пример: газ ксенон КС имеет много (28) энергетических уровней и линии свечения перекрываются, образуя непрерывный спектр излучения (в видимой области близкий к солнечному).
ГРИ используют тлеющий или дуговой разряды.
ГРИ тлеющего разряда.
Схема включения.
Для возникновения самостоятельного разряда необходимо подать на К и А высоковольтный импульс напряжения. Устройство, преобразующее напряжение сети (220 В) в высоковольтный импульс 800 В - ПРА (пускорегулирующий аппарат).
Биметаллическая пластина выполнена их двух металлов с разным коэффициентом линейного расширения.
Из-за большого расстояния между К и А для зажигания лампы (возникновения самостоятельного газового разряда) напряжения сети недостаточно при холодных электродах.
ПРА – это стартер (реле тлеющего разряда) + электрические элементы.
Стартер – газоразрядная лампа тлеющего разряда, наполненная ксеноном или смесью инертных газов.
При включении лампы в сеть на электроды стартера подается напряжение 220В, в стартере возникает разряд, т.к. расстояние между электродами мало, и через электроды стартера течет ток, нагревая их. Биметаллическая пластина нагревается и замыкается с анодом.
При замкнутых электродах стартера ток течет через электроды самой лампы и нагревает их до температуры 8000С , при которой термоэмиссия с катода обеспечивает достаточное количество термоэлектронов для начала разряда.
Сопротивление газоразрядного промежутка уменьшается, ток – увеличивается.
При этом ток, текущий через замкнутые электроды стартера падает, его электроды остывают и биметаллический электрод разрывает электрическую цепь, в которую включена индуктивность.
При этом на электроды лампы подается высоковольтный импульс 500…1500В, под действием которого начинается газовый разряд: электроны ускоряются и ионизируют атомы газа. Возникает пробой газа – лампа зажигается.
После зажигания лампы разряд в стартере не возникает из-за малого напряжения на нем.
Процесс зажигания лампы:
Вольфрамовые электроды покрыты слоем оксида (оксидная пленка), уменьшающем работу выхода электрона из катода и увеличивающем термоэлектронную эмиссию по сравнению с чистым вольфрамом.
Дроссель служит для стабилизации тока, протекающего через лампу.
Конденсатор (емкость) служит для подачи высоковольтного импульса напряжения на электроды лампы. Так как размыкание происходит за очень короткий промежуток времени, то импульс напряжения – кВ.
К газу аргону добавляется ртуть 8…30 мг и стенки лампы покрываются слоем люминофора (вольфрамат кадмия, силикат цинка, цинк-берилий-силикат. Люминофоры поглощают УФ излучение ртути с и излучают – вольфрамат кадмия , силикат цинка , цинк-берилий-силикат .
Температура газа – 300К. Ртуть испаряется и ионизируется термоэлектронами. Электроны Hg возбуждаются и при переходе в невозбужденное состояние излучают.
Таким образом имеет место катодолюминесценция.
Основная энергия излучения ртути сосредоточена в двух ультрафиолетовых линиях 0,1849 мкм и 0,2537 мкм.
Люминофор поглощает ультрафиолетовое излучение и начинает светиться в видимой области (правило Стокса) – фотолюминесценция.
Световая отдача люминесцентной лампы – 80 лм/Вт.
Т – 12000 час;
L =7000кд/м2ср.
Люминофоры: вольфрамат кальция и магния, силикаты цинка и кадмия, фосфаты кальция и цинка.
Лампы дневного света ЛД – 6500К;
Лампы холодного белого света ЛХД – 4850К;
Лампы белого света ЛБ – 3500К;
Лампы теплого белого света – 2700К.
Основная световая энергия излучения – от люминофоров,
Световая энергия излучения ртути 0,404 мкм, 0,436 мкм, 0,546 мкм, 0,58 мкм – 8…13% от полной энергии.
Люминофор обладает малой инерционностью – 0,1 с…0,01 с, определяемой временем послесвечения люминофора.
Частота напряжения сети 220 В – 50 Гц.
Частота модуляции люминесцентного излучения – 100 Гц.
Глубина модуляции – 40%, что отрицательно влияет на зрение.
Это явление уменьшают за счет включения нескольких ламп со сдвигом по фазе на 900.
Люминесцентная лампа может быть представлена как равнояркий цилиндр:
,
,
.
У люминесцентной лампы яркость спадает на концах колбы.
Коэффициент учитывает неравнояркость свечения:
для мощности лампы 15 Вт, для мощности >15 Вт:
.
Режимы работы :
Лампы тлеющего разряда - трубчатые лампы, наполненные газом.
неон – оранжево-красное свечение,
ртуть – синевато-белое,
аргон – бледно-голубое.
при разряде Na испаряется и излучает.
meve2/2 Hg (184,9 и 253,7 нм) Л (белый свет).
Цветовая температура Тс = 2700…4850 К.
Световая отдача = F/Ф=80 лм / Вт.
Лампы дугового разряда
Короткодуговые (шаровые) лампы сверхвысокого давления (100 А)
спектр излучения близок к солнечному Тс = 5600 К;
В лампах этого типа также как у люминесцентных ламп источником излучения служит ртуть. Но под действием более высокого давления более мощными получаются линии спектра излучения в видимой области.
Ртутная шаровая лампа высокого давления изготавливается в виде толстостенной кварцевой колбы шаровой формы, в которую на малом расстоянии друг от друга впаяны два вольфрамовых активированных (с оксидной пленкой, уменьшающей работу выхода термоэлектрона) электрода конусообразной формы.
Светящаяся часть разрядного промежутка имеет небольшие размеры и высокую яркость излучения в УФ и видимой области (15…50)х107кд/м2.
спектр излучения - линейчатый = 184,9; 253,7; 404; 436;
Время разгорания лампы – 2…5 мин. Срок службы до 500 часов.
Высокая температура колбы 973…1173К и высокое давление делают ее небезопасной и при эксплуатации ее следует помещать в металлический кожух.
Для питания дуговых ламп требуется специальный блок питания ПРА .
Металлогалогенные (Hg + ксенон + аргон + Na + Li + Ta + In)
Me()
Е1
Е2
Е3
Ео
з
с
=10-8с
=10-8с
=10-3с
л=694 нм
езизл.переход
(нагрев кристалла)
К
А
Газ
Газоразрядная
трубка
+
_
Е1
Ео
Е2
Е3
Е4
=3390 нм (ИК)
=1150 нм (ИК)
=632,8 нм
0,5мкм
0,2мкм
1,8мкм
Стартер
(ПРА)
Дроссель
Емкость
Биметаллическая пластина
Напряжение сети
220В
Ме2
Ме1
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
Hg
Люминофоры
0,5мкм
0,2мкм
1,8мкм