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对荧光灯条纹不稳定性成因的实验研究老河口

老河口    
2020年01月07日

低气压辉光放电中的条纹不稳定性现象最早于19 世纪30 年代由麦克尔·法拉第(Michael Faraday)首先发现。此后,相关的研究工作在国际上一直处于比较热门的行列。1968 年,佩克雷克(Pekarek)总结了前人对稀有气体中的条纹不稳定性的研究,给出了条纹不稳定性的色散关系曲线。随着研究的不断深入,电子动力学在条纹不稳定性的研究中扮演了越来越重要的角色。岑丁(Tsendin)利用非局域场近似和“黑墙假设”,求得了电子的玻尔兹曼方程(Boltzmann Equation)的一个解析解,该解析解是空间的周期函数。他提出,高能电子的非局域性是造成放电出现条纹不稳定性的原因。格鲁伯夫斯基(Golubovskii)深化了岑丁的研究,并通过理论以及实验手段,进一步对稀有气体中的条纹不稳定性的成因进行了研究。

2006年,科洛博夫(Kolobov)总结了自20 实际70 年代以来,条纹不稳定性研究的动向及成果;指出,关于条纹不稳定性放电的具体成因及物理过程,仍然需要更为全面细致的研究。在照明行业中,低气压辉光放电是最为重要的发光原理之一,与之相关的理论及实验研究也颇为广泛。荧光灯中的条纹不稳定性一直比较受关注,因为它会给被照环境带来非常不利的影响。国内国外相关的研究工作表明,荧光灯中的条纹不稳定性可能来自电极区,而且条纹的性质会随外界温度的变化而变化。在本文中,我们将对荧光灯中的条纹不稳性进行一些实验研究,对其可能的成因以及影响因素进行分析。

本文共分三个部分:1、实验介绍;2、实验过程、结果及讨论;3、结论。

1、实验介绍

实验主电路由36W T8 荧光灯管、与其匹配的电感镇流器、起辉器连接而成。整个电路由一个可调压变压器供电。该变压器的输出范围为20V~250V 50Hz AC。灯的电压以及电流由相应探头测得。灯的光输出由一个光电二极管接收,然后输入到示波器中。通过对该光信号进行滤波变换,滤得其中的高频分量,我们就可以得到条纹不稳定性的一些参量,比如,频率,相对强度等。灯的发射光谱由一个Ocean Optics 光谱仪测量。实验电路及设备如图1所示。

2、实验过程及结果

2.1 阴极区的影响

由于荧光灯工作在交流条件下,在再启动阶段,灯的电流非常微弱,而阴极区的扰动则相当可观;所以,阴极区的扰动(阴极溅射)可能传播到正柱区当中,成为条纹不稳定性的来源。在实验时,可调压变压器的输出电压为150V 50Hz AC,对应的灯管冷端温度约为34℃。此时,灯管中存在着明显的条纹不稳定性。为了检验阴极区扰动对条纹不稳定性的可能影响,我们在灯的两个阴极上增加了阴极加热电流 (400mA DC),以此消除阴极区的不稳定性。对比阴极加热电流添加前后的情况,我们发现条纹不稳定性的情况并无明显改善。因此,可以断定,实验灯管中的条纹不稳定性并非来自阴极区的扰动。

2.2 冷端温度的影响

保持可调压变压器的输出电压在150V 50Hz AC,用冷凝喷雾在灯管上创建一个局部低温区域。然后用光电二极管采集该区域的光信号,用光谱仪采集该区域的原子发射光谱的情况。冷却刚结束时,该低温区域的最低温度可低于5℃;其后,该区域的温度缓慢上升,直到与灯管其他位置的温度相同。图2a 所示为该冷却区域的汞蒸汽压及辐射特性随冷端温度变化的关系;图2b 所示为光信号的FFT 分析随冷端温度的变化关系。

从图2a 中可以看出,随着冷端温度的降低,汞的原子辐射大为降低,而稀有气体的辐射逐渐升高。这说明,在冷端温度较低时,灯管内更多的稀有气体参与了放电过程,电子与稀有气体原子的非弹性碰撞频率增加。从图2b 中可以看出,在低温时,光信号具有幅值较大的高频分量;这对应了相对较强的条纹不稳定性。当温度升高时,高频分量的幅值迅速下降,即条纹不稳定性变得越来越不明显。将图2a、图2b 的现象结合起来,我们可以知道,当灯管的冷端温度降低后,汞蒸汽压大幅下降,电子与稀有气体原子的非弹性碰撞频率增加,电子温度上升;而此时,灯管中会出现较为明显的条纹不稳定性。因此,较低的汞蒸汽压和较高的电子温度,是荧光灯中条纹不稳定性出现的原因。更具体的说来,由于汞蒸汽压的降低,电子与稀有气体的非弹性碰撞频率升高,被激发的稀有气体原子数量大为上升。由于稀有气体的激发态能量都非常高(大于10eV),所以大量的高能电子被消耗。而激发态的稀有气体原子的电离能相对较小,所以稀有气体原子的分步电离在电子产生中具有越来越重要的作用。这是低气压稀有气体放电中出现条纹不稳定性的重要原因,同时也是荧光灯在冷端温度降低时出现条纹不稳定性的重要原因。

冈德曼(Gundermann)的研究工作曾经证实,潘宁效应(Penning Effect)有助于抑制稀有气体中的条纹不稳定性。其原因在于处于激发态和亚稳态的稀有气体原子浓度会被潘宁效应大为削减。考虑到氩和汞之间也存在着很强的潘宁效应,我们也可以认为工作在正常状态下的荧光灯当中有足够高的汞原子浓度来猝灭激发态和亚稳态的氩原子,从而抑制条纹不稳定性的出现。而当冷端温度降低,汞蒸汽压下降后,这种猝灭效应被削弱,对条纹不稳定性的抑制作用也被削弱了。这也从另外一个方面印证了上述分析,即大量氩原子的分步电离是产生条纹不稳定性的重要原因。

同时,在实验中我们也发现,经过冷却的灯管只在冷却的部分有条纹不稳定性,在其他区域,并没有探测到条纹不稳定性。这也可以利用上面的原理解释。虽然灯管经过局部冷却,但汞原子在灯管内的迁移需要时间。因此,未经冷却的灯管区域内,汞原子的浓度依然足够高,条纹不稳定性依然受到抑制。

3、结 论

本文通过实验手段对荧光灯中的条纹不稳定性进行了研究。实验发现,在50Hz 的工作条件下,条纹不稳定性与阴极区的扰动无关;而与灯管的冷端温度有很大关系。通过进一步的实验及分析得知,在实验条件下,灯管中的条纹不稳定性主要源自氩原子的分步激发和电离。汞除了作为主要发光物质存在以外,还可以猝灭激发态和亚稳态的氩原子,是稳定放电的一个重要因素。

本文来自:中国照明网

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