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1、第40卷第3期复量学报(自然科学版)Vol.40No.32001年6月JouarnlofFudanUniversity(NaturalScience)Jun.2001文章编号:042727104(2001)0320313205X条纹放电光谱及其等离子体特性张善端,朱绍龙(复旦大学电光源研究所,上海200433)摘要:实验研究了条纹放电的明条纹和暗条纹中汞原子的谱线强度.然后建立汞原子放电的八能级模型.从求解速率方程得到条纹中各种粒子的浓度和电子温度,从而求得了汞可见谱线强度.计算结果和实验符合较好.计算还表明明暗条纹
2、之间的电子温度差别较大,在明条纹中Te=15300K,暗条纹中Te=14400K,条纹的明暗差别主要是电子温度不同造成的.关键词:荧光灯;条纹放电;等离子体不稳定性;光谱;速率方程中图分类号:0432.11;TM923.321文献标识码:A众所周知,T8荧光灯(直径26mm)是一种高效节能光源,近年来已在国内外大量推广使用.但是当使[1]用环境温度过低、工作电流太小时,原来的稳定放电会变成明暗相间的条纹,称为条纹放电.特别是在电子镇流时更容易出现这种条纹放电,它会对照明造成很大的干扰.研究表现条纹放电是一种频率为10
3、00Hz左右的电离波,形成条纹的原因是等离子体正柱的不稳定性、外电路反馈和放电的局部扰动三方[2,3]面造成.但是在条纹放电时,汞谱线强度的变化,电离波的明暗条纹中电子温度、浓度的差别,均未有研究和讨论.本文报道了对上述问题的研究结果,从而对条纹放电有更深入的了解.1实验研究为测定汞的光谱,实验采用了不涂荧光粉的T8透明灯管,并用飞利浦电子镇流器整流.灯管置于由制冷机和恒温器控制的水浴中,水浴用来调节灯的管壁温度,也就是调节灯内汞蒸汽压强.条纹的光信号通过透镜聚焦,从入射缝进入光栅单色仪,色散后被选定的某个波长的光从
4、出射缝到达光电倍增管,倍增管的输出用数字存储示波器和计算机进行测量.待测光源x为荧光灯,标准光源s为钨带灯.测量时x和s先后放在同一位置,由透镜成1∶1的像于单色仪入射缝,保持入、出射缝宽(a,a′)和透镜位置不变,使它们对透镜所张的立体角相等.如果x和s的电信号为P(λ)和Ps(λ),则荧光灯在波长λ处的线光谱辐亮度为B=Bs(λ)·△λ·P(λ)/Ps(λ).其中Bs(λ)为标准光源(钨带灯)在波长λ处单位波长间隔内的光谱辐亮度,△λ=(a+a′)·△λ/△S是单色仪的出射光束的光谱宽度.这样只要测定钨带灯和荧光
5、灯照明时倍增管的输出,就能算出荧光灯光谱的辐亮度.其结果列于第314页表1(为便于比较,列出了第二节放电模型的计算值).2模型计算2.1放电模型[7]图1是简化的汞原子能级图(见第314页).X收稿日期:2000210225作者简介:张善端(1974—),男,博士研究生;通讯联系人朱绍龙教授.413复旦学报(自然科学版)第40卷表1谱线辐亮度的测量值和计算值Tab.1MeasurementandcomputationresultofspectrallineradianceBb/Bb/λ/nm上能级-2-1-2-1(B
6、b/Bd)exp(Bb/Bd)th(μW·cm·sr)(μW·cm·sr)3365.56D22.180.972.2471.4363404.77S19.225.221.7661.3643435.87S125.0013.701.8251.3643546.17S126.1014.601.7881.3643577.06D22.261.132.0001.436注:Bb、Bd分别是明条纹和暗条纹中的光谱线辐亮度;(Bb/Bd)exp和(Bb/Bd)th分别为条纹明、暗区中谱线辐亮度比值的实验值和计算值.[7]图1简化的汞原子能级
7、图Fig.1Simplifiedenergylevelsofmercuryatom考虑荧光灯放电正柱中电子与汞原子的碰撞过程,对汞原子作了一个八能级的模型假设.即考虑汞的13331333以下八个能级:基态6S0,激发态6P0,6P1,6P2,6P1,7S1,6D和电离态.其中6D是一个简并态,包括13336D2,6D1,6D2,6D3.这四个能级的能量差较小,由于碰撞截面数据缺乏的原因,把它们作为简并能级36D来考虑.还作了以下的基本假设:(1)假设电子温度Te和轴向电子浓度ne扰动较小,轴向流动忽略.这样明条纹和暗
8、条纹内是局部均匀的,各自有单一的电子温度、电子浓度和激发态原子浓度的分布,并进一步把正柱近似为一半是明条纹,一半是暗条纹;(2)原子过程包括电子碰撞激发、消激发,光子辐射消激发,不考虑光致电离、吸附电离和体积复合;(3)电子处于局部热力学平衡状态,电子能量分布服从Maxwell分布;(4)计算考虑轴向电子浓度,不考虑空间分布;(5)电子损失主要
