低氣壓稀有氣體—汞放電中條紋現(xiàn)象的研究.pdf

1、氣體放電條紋現(xiàn)象的機(jī)理研究從法拉第1830年開始至今已經(jīng)快兩個(gè)世紀(jì)了，目前研究的主要進(jìn)展還集中在純稀有氣體的條紋放電的機(jī)理，混合氣體在交流條件下的條紋放電的機(jī)理還有許多研究工作尚待開展。本論文對(duì)交流放電條件下，低氣壓稀有氣體-汞放電中的條紋放電現(xiàn)象的原因及性質(zhì)進(jìn)行研究，希望找出低氣壓稀有氣體-汞條紋放電的成因，更好的了解低氣壓稀有氣體-汞放電的性質(zhì)，為在實(shí)際的應(yīng)用中消除這種現(xiàn)象提供理論基礎(chǔ)。
　　在實(shí)驗(yàn)研究中，采集了燈管在不同冷端

2、溫度下的發(fā)射全光譜，發(fā)現(xiàn)在條紋放電劇烈的時(shí)候，總光譜中來(lái)自稀有氣體原子的輻射占據(jù)較大比例。根據(jù)理論分析，低氣壓稀有氣體-汞條紋放電源于稀有氣體原子的分步電離在電離平衡中占據(jù)了主要位置。ICCD相機(jī)對(duì)條紋放電燈管的高速成像表明條紋放電僅出現(xiàn)在燈管電流的上升階段，而在燈管電流的下降階段放電是均勻的，這一現(xiàn)象目前罕有報(bào)道。用ICCD相機(jī)和單色儀組成耦合系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在燈管電流的上升階段，來(lái)自稀有氣體原子和汞原子的原子譜線都較強(qiáng)；而在電流的下降

3、階段，來(lái)自這兩類原子的原子譜線都較弱。在電流的上升階段，若汞蒸汽壓比較低，稀有氣體原子的分步電離就會(huì)在電離平衡中占主導(dǎo)位置，放電就會(huì)出現(xiàn)條紋。
　　在理論研究中，我們首次采用電子動(dòng)力學(xué)模型模擬了低氣壓Ar-Hg放電中電子對(duì)空間波動(dòng)電場(chǎng)的響應(yīng)情況，模擬時(shí)考慮非局域場(chǎng)條件，即亞穩(wěn)態(tài)稀有氣體原子的分步電離在電離平衡中起重要作用時(shí)的情況。模型基于穩(wěn)態(tài)波爾茲曼方程，通過(guò)Crank Nicholson差分格式求解電子能量分布函數(shù)(EEDF)。

4、模擬的結(jié)果可以更加詳細(xì)的揭示不同能量電子在空間波動(dòng)電場(chǎng)中的分布情況，揭示非局域場(chǎng)效應(yīng)對(duì)放電產(chǎn)生的影響。EEDF分為低能部分與高能部分，它們對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)是不同步的。慢電子主要在電場(chǎng)作用下在空間中做遷移運(yùn)動(dòng)；而快電子則主要與Hg原子和Ar原子做非彈性碰撞。模擬得到的等離子體的宏觀參量，如折合電子濃度、電子溫度、激發(fā)頻率、電離頻率與空間電場(chǎng)的波動(dòng)不同步，這一機(jī)制導(dǎo)致了條紋的傳播，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。
　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)和理論的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在低氣壓

5、稀有氣體-汞放電中，條紋放電產(chǎn)生的根本原因是稀有氣體原子的分步電離在電離平衡中占據(jù)了主導(dǎo)位置，使電子能量分布函數(shù)EEDF處于非局域場(chǎng)條件下。這樣，存在于放電中的擾動(dòng)會(huì)被放大并傳播下去，從而形成條紋放電。因此，消除條紋放電的可行方法是抑制亞穩(wěn)態(tài)稀有氣體原子的大量產(chǎn)生，這可以通過(guò)添加混合氣體或增加放電電流、提高汞蒸氣壓、提高頻率等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
　　本論文的創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　1.通過(guò)給燈管的陰極增加額外的加熱電流以抑制陰極區(qū)的擾動(dòng)

6、，同時(shí)利用光電二極管記錄燈管中的條紋放電情況，最終證明50 Hz交流工作狀態(tài)下和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件下，低氣壓稀有氣體-汞放電中的條紋現(xiàn)象并非由陰極區(qū)的擾動(dòng)造成。
　　2.利用燈管的光輸出作為信號(hào)觸發(fā)高速ICCD相機(jī)，記錄了燈管在交流工作的一個(gè)周期內(nèi)，條紋放電隨燈管光輸出的變化情況，從而發(fā)現(xiàn)，條紋放電僅出現(xiàn)在燈管電流的上升階段，在燈管電流的下降階段，幾乎無(wú)條紋出現(xiàn)。
　　3.首次提出了低氣壓稀有氣體-汞條紋放電的電子動(dòng)力學(xué)模型，應(yīng)