Контрольная работа: Наиболее важные применения газового разряда

Наиболее важные применения газового разряда

Контрольная работа

НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА

Содержание

1. Газоразрядные источники света

. Газоразрядные источники света на парах металлов

. Газоразрядные индикаторные панели (дисплеи)

. Газоразрядные лазеры с ПС

. Приборы плазменной газоразрядной электроники

. Газовый разряд в ионно-плазменной технологии

Литература

. Газоразрядные источники света

Существует ряд устройств и технологических процессов, построенных на различного вида электрических разрядах в газах, изучаемых физикой газового разряда и газоразрядной электроникой: это приборы тлеющего и дугового разряда: источники спонтанного излучения (источники света), в том числе люминесцентные, источники когерентного излучения (газоразрядные лазеры), цифровые и переключаемые световые индикаторы, измерительные и индикаторные тиратроны, импульсные коммутаторные тиратроны, в т.ч. тиратроны с полной управляемостью (таситроны), стабилитроны, и др. В микроэлектронику активно внедряется ионная технология, основанная на процессах в катодной области разряда: ионное травление и получение атомарно чистых поверхностей, ионное распыление материалов и получение тонких пленок, газоразрядные методы получения фуллеренов и нанотрубок. Вопросы использования отдельных явлений затрагивались по ходу изложения в предыдущих главах. В данной главе приводятся сведения о других важнейших приложениях газового разряда.

К газоразрядным источникам света (ГИС) относят большую группу газоразрядных приборов (ламп), предназначенных для получения некогерентного оптического излучения с помощью электрического разряда в газах, парах металлов и их смесях. История ГИС берет своё начало с дуговых угольных ламп П.Н.Яблочкова (1876 г.).

По своей физической природе такие источники подразделяются на лампы с непосредственным излучением света из газоразрядной плазмы, люминесцентные лампы, а также лампы, использующие сочетание первых двух типов. Излучение таких ГИС может быть как непрерывным (стационарным во времени), так и импульсным, а его спектр как сплошным, так и линейчатым, при этом путем подбора среды и режима работы можно получить необходимый спектральный состав излучения (цветовую температуру). ГИС существенно превосходят тепловые источники света по светоотдаче и сроку службы, и как следствие - находят все большее распространение.

ГИС всех видов имеют светопроницаемую вакуумно-плотную оболочку, обеспечивающую герметичность при рабочей температуре, а также электроды. В качестве рабочего газа используются инертные газы, а также пары металлов: ртути, натрия, таллия и др. веществ.

ГИС, использующие ПС разряда в инертных газах низкого давления (неск. Тор), излучают линейчатый дискретный спектр, состоящий из узких линий (шириной доли нм), в то время как при высоком и сверхвысоком давлении (до неск. атмосфер) спектральные линии уширяются настолько, что образуют спектр, состоящий из широких полос шириной до сотен нм (эксимерные и эксиплексные молекулы) . Ксеноновые и криптоновые лампы с максимальным излучением в сине-зеленой области спектра, сплошным спектром и оболочками различной формы с импульсным разрядом широко используются в оптике, в качестве источников накачки твердотельных лазеров и др., а со стационарным разрядом, излучающие непрерывно - как осветительные.

В ГИС, использующих в качестве излучающей области отрицательное свечение разряда с полым катодом, удается получать эмиссионный спектр излучения трудноиспаряемых металлов за счет эффекта катодного распыления.

В люминесцентных ГИС используется явление фотолюминесценции в твердых кристаллических веществах, называемых люминофорами и представляющих собой порошки, состоящие из отдельных зерен (размерами от 3 до 20 мкм), наносимые на внутреннюю поверхность стеклянной оболочки лампы, облучаемую возбуждающим излучением газоразрядной плазмы. В результате поглощения этого излучения зернами люминофора, в них возникает люминесцентное излучение, испускаемое наружу. Люминофор должен обладать полосой поглощения, совпадающей по длине волны (частоте) с излучением накачивающего разряда, иметь желаемый спектр излучения (люминесценции), а также быть химически нейтральным и прочно удерживаться на поверхности оболочки ГИС. Наиболее широкое применение нашли люминофоры для преобразования в видимую область УФ-излучения разряда в парах ртути низкого давления (резонансных линий ртути с длинами волн 253,5нм и 184,9нм), и высокого давления (линии 296, 313 и 365нм), а также разряда в инертных газах в газоразрядных индикаторных панелях.

. Газоразрядные источники света на парах металлов

Остановимся подробнее на наиболее эффективных и распространенных ГИС на парах ртути и натрия, возбуждаемых в газоразрядной плазме ПС. В разделе 5 приведены спектры излучения ртути и натрия при различных давлениях. Данные вещества имеют достаточно высокое давление паров при умеренных температурах, что позволяет использовать их как в лампах низкого давления (единицы и десятки мТор), так и высокого и сверхвысокого давлений (для Hg - до 80 атм, для Na - до 0,3 атм). При этом в «холодной» лампе давление паров столь мало, что не препятствует развитию электронной лавины и зажиганию разряда. Большинство ГИС с парами натрия и ртути питается переменным током частотой от 50Гц (промышленная частота) до неск. десятков кГц (инверторные схемы с преобразованием частоты), т.е. через каждые полпериода функции электродов меняются. При этом балластным элементом служит либо дроссель, либо выходная обмотка силового трансформатора, чем исключаются активные потери в балласте и повышается КПД источника света. Электрод, который в данные полпериода является катодом, работает в дуговом режиме с ТЭЭ. Его нагрев осуществляется за счет энергии самого разряда («саморазогрев») при величине катодного падения в неск. десятков вольт, что также обеспечивает высокий электрический КПД лампы. Преобразование УФ-излучения паров ртути осуществляется за счет фотолюминесценции в люминофоре. Ртутная лампа низкого давления. УФ-излучение паров ртути при низком давлении (253,5нм и 184,9нм) может выходить из ПС через прозрачную стенку лампы (в т.наз. «бактерицидной» ртутной лампе), либо осуществлять накачку слоя люминофора, покрывающего внутреннюю поверхность стенки, с последующим переизлучением в видимой области спектра (большая группа люминесцентных ламп «дневного света», энергосберегающих ламп и др.). Простейшая схема включения лампы в сеть переменного тока промышленной частоты со «стартерным пуском» показана на рис. 1,а. В лампе используются активированные барием вольфрамовые электроды в виде «триспирали». Активная среда лампы в рабочем режиме - плазма ПС разряда в смеси из нескольких Тор аргона и 20 мТор паров ртути. Пары образуются при нагреве металлической ртути, содержащейся внутри лампы, за счет «саморазогрева» лампы протекающим током разряда со средней плотностью в сечении ПС j=10…40мА∙см^-2, напряженность электрического поля ПС составляет E_z=1…1,5 В∙см^-1. На рис. 1,б приведена блок-схема питания ламп такого типа током повышенной частоты.

Зажигание самостоятельного дугового разряда в лампе через несамостоятельный дуговой разряд осуществляется с помощью т.наз. стартера тлеющего разряда и реактивных элементов в цепях питания («стартерный пуск», схема на рис. 1,а) и состоит из трех фаз:

а) подготовительной - начинающейся в момент подачи напряжения питания, что приводит к возникновению тлеющего разряда в стартере, разогреву и изгибу биметаллического электрода стартера. Данная фаза заканчивается в момент замыкания электродов стартера;

б) фазы разогрева электродов лампы “экстра” током, протекающим по цепи: балластный дроссель-электроды лампы-замкнутые электроды стартера. В течение этой фазы (продолжающейся неск. секунд) электроды лампы нагреваются, а электроды стартера - остывают, и данная фаза заканчивается в момент размыкания последних;

в) фазы зажигания лампы, начинающейся в момент размыкания электродов стартера при разогретых электродах лампы, когда возникает короткий (длительностью около 1мс) импульс высокого напряжения в последовательном колебательном контуре, образованном конденсатором С и балластным дросселем Др. Это напряжение превышает напряжение зажигания лампы и возникает разряд. Появлению электронной лавины при зажигании лампы способствует то, что смесь аргона с парами Hg является «пеннинговской», в которой заряженные частицы (электрон и ион ртути Hg⁺) образуются при столкновении атома ртути с метастабильным атомом аргона.

По мере горения разряда рабочая температура электродов лампы, необходимая для поддержания ТЭЭ, поддерживается за счет их саморазогрева бомбардировкой ионами газа. Также за счет саморазогрева температура стенок лампы (и металлической ртути) постепенно увеличивается и достигает оптимального значения, что обеспечивает оптимальное давление паров ртути и максимальную интенсивность излучения. В самом деле, кинетика процессов в лампе, приводящих к излучению может быть описана следующими двумя реакциями:

накачка(ударное возбуждение атома ртути): Hg₀ + e (ПС)→ Hg^* (6p);

излучение: Hg^*(6p)→Hg₀+фотоны с энергией hν (λ=253,5нм, 184,9нм), (1)

где Hg₀-атом ртути в основном энергетическом состоянии с электронной конфигурацией (1s²…5d¹⁰)6s², а Hg^*(6p)-возбужденный атом ртути в состоянии с электронной конфигурацией (1s²…5d¹⁰)6s6p; e(ПС)-электрон, ускоренный в электрическом поле ПС и обладающий энергией, превышающей энергию возбуждения состояния Hg^*(6p).

Запишем выражение для скорости накачки в ПС состояния Hg^*(6p)- F(6p), определяющей концентрацию возбужденных атомов ртути N(Hg^*6p) и интенсивность излучения плазмы ПС на УФ-квантовых переходах 6p-6s с длинами волн 253,5нм и 184,9нм (см., (3.22) и (3.23)):

, (2)

где n_e и N(Hg₀)-концентрация электронов и атомов ртути в основном энергетическом состоянии, k(6s-6p)-константа ударного возбуждения состояния Hg^*(6p) из Hg₀.

Зависимости параметров плазмы ПС ртутной лампы низкого давления от давления паров ртути (температуры стенки лампы) показаны на рис. 2. Видно, что максимум скорости накачки уровня 6p - F(6p), соответствующий максимуму интенсивности излучения на линиях 253,5нм и 184,9нм, соответствует давлению паров ртути около 20мТор и Т≈50ºС. Начальный рост F(6p) определяется повышением концентрации атомов ртути при «саморазогреве» лампы, а насыщение и последующее снижение F(6p) при T>50ºС определяется главным образом снижением константы возбуждения k(6s→6p) за счет снижения электронной температуры T_e в плазме ПС (см. рис. 3.3). Несмотря на то, что, как видно из (2), зависимость скорости накачки от n_e (и от плотности тока j) близка к линейной, оптимальная величина j (и полного тока) разряда определяется оптимальным тепловым режимом лампы, а также её ресурсом и составляет порядка j ~ 50 мА·см^-2.

Натриевая лампа низкого давления. Такая лампа излучает «жёлтый» дублет натрия с λ588,9/589,6нм (см. рис. 3.6). Наполнение - смесь неона с небольшой добавкой аргона (~1%) при давлении около 7Тор и паров натрия - около 3 мТор (при температуре стенки лампы Т≈260^оС). Зажиганию разряда в «холодной» лампе способствует пеннинговская ионизация аргона при столкновении с метастабильным атомом неона. Для достижения необходимой рабочей температуры при умеренной вкладываемой мощности прозрачная оболочка лампы выполняется в виде сосуда Дьюара и служит теплоизолятором.

Ртутные лампы высокого и сверхвысокого давления. Конструкция и схема включения лампы с питанием от сети переменного тока показаны на рис. 3. Наполнение ламп при рабочей температуре: смесь аргона (~20-30 Тор) и паров ртути - до 2,6 атм и до 80 атм - в лампах высокого (Т≈430^оС) и сверхвысокого давлений (Т≈700^оС) соответственно. В оболочке разрядной трубки из поликристаллического кварца (т.наз. «горелке») находятся два электрода основного разряда, активированные барием или торием (ториевый «пленочный» катод), а также два вспомогательных «поджигающих» электрода, причем вблизи данного основного расположен вспомогательный (поджигающий) электрод, электрически соединённый с противоположным основным электродом через балластный резистор. Горелка осветительной лампы помещается в стеклянную защитную оболочку, на внутреннюю поверхность которой наносится слой люминофора. Защитная оболочка служит также и для предохранения от внешних воздействий кварцевой «горелки», находящейся при высокой температуре.

На начальном этапе зажигания при нормальных условиях давление паров ртути невелико (~1мТор), и при подаче напряжения питания происходит зажигание разряда в аргоне с помощью вспомогательного электрода, который в данные полпериода находится вблизи катода (кривая Пашена 2 на рис. 4). В промежутке вспомогательный электрод-катод возникает плазма, что способствует образованию электронной лавины до анода, и приводит к зажиганию разряда между основными электродами. Через каждые полпериода изменения сетевого напряжения происходит «перезажигание» разряда в лампе в противоположном направлении, при этом имеется интервал времени когда разряд отсутствует, и поэтому излучение лампы-«мигающее». По мере горения осуществляется постепенный “саморазогрев” лампы с выходом на рабочий тепловой режим. При достижении рабочего давления паров ртути скорости диффузии заряженных частиц и их разрушение на стенке горелки резко снижаются, поэтому к моменту подачи напряжения противоположной полярности плазма дезактивируется не полностью, и теперь ток меняет направление без фазы погасания лампы (кривая 3 на рис. 4). Важно отметить, что при погасании “горячей” лампы из-за большого давления паров ртути в разряде её повторное зажигание становится невозможным (для кривых Пашена 1 и 2 U_заж>U_с на рис. 4), и необходимо дождаться ее полного остывания (возврата влево по кривой 2 на рис. 4). Как следует, резонансные линии ртути 6p-6s с λ253,5нм и 184,9нм при оптимальном давлении паров «заперты» за счет явления пленения резонансного излучения, состояния Hg^*(6p) становятся квазиметастабильными, их заселенность увеличивается и приближается к заселенности основного энергетического состояния ртути. Это способствует ступенчатому ударному возбуждению состояний Hg^*(7s) и Hg^*(6d) с последующим излучением сине-зеленых и «мягких» УФ-линий ртути (т.наз. “линий 2-го каскада” (см. рис. 3.5)). Сине-зеленые линии излучаются непосредственно, а энергия УФ-линий в осветительных лампах используется для накачки люминофорного покрытия на защитной колбе лампы, которое “переизлучает” в средне- и длинноволновой (желто-красной) части видимого спектра, чем приближает полный спектр лампы к естественному (осветительные лампы марок ДРЛ и др.)

Кварцевая оболочка горелки ртутной лампы сверхвысокого давления из соображений максимальной прочности делается сферической, а межэлектродный промежуток малым, в результате эта лампа, называемая «шаровой» (марка ДРШ), может использоваться в качестве точечного источника света для возможного последующего преобразования пучка излучения с помощью сферических оптических элементов (зеркал, линз).

Натриевая лампа высокого давления. Наполнение: смесь ксенона (~20 Тор) и паров натрия (давление ~200 Тор при рабочей температуре около 700ºС. В отличие от ртутных ламп оболочка горелки выполняется из поликристаллической окиси алюминия (Al₂O₃), поджигающие электроды отсутствуют, и зажигание лампы осуществляется путем ее предварительного нагрева до невысокой температуры, что обеспечивает пеннинговскую ионизацию атомов натрия (ε_i≈5,1эВ) при столкновении с метастабильными атомами ксенона (ε_m≈8,3эВ). Пленения резонансного излучения на жёлтом резонансном дублете натрия 3p-3s (рис. 3.6) при высоком давлении, когда пары натрия образуют молекулы Na₂, не происходит, поскольку данный переход у димера Na₂ “уширяется” до 0,35 мкм. В результате лампой излучается широкая полоса в желто-красной части спектра с центральной частотой около 0,73 мкм (рис. 3.7), при вдвое более высокой по сравнению с ртутной лампой светоотдаче. С целью приближения спектра данной лампы к естественному, в лампу дополнительно вводится малая примесь ртути, и в результате данная лампа успешно применяется для уличного освещения (марка ДНат) .

. Газоразрядные индикаторные панели (дисплеи)

Излучение возникает в слое люминофора, возбуждаемого УФ-излучением импульсного безэлектродного разряда в ячейках, заполненных смесью инертных газов. Используется три вида люминофора, излучающих в синей, зелёной и красной областях спектра, в результате чего три рядом расположенные ячейки (триада “субпикселей”) образуют трёхцветный “пиксель”.

Основу конструкции плоской плазменной панели составляют два близко расположенных стекла, пространство между которыми разделено на ячейки с помощью резиновых перегородок (сетки) и заполнено разреженной смесью неона и ксенона (рис. 5,а). На гранях стекол в соответствии с рядами ячеек расположены горизонтальные и вертикальные электроды, образующие подобие решетки (X-Y матрица, рис. 5,б). Вертикальные “адресные” электроды, по одному для каждого ряда субпикселей, нанесены на заднее стекло. Горизонтальные “разрядные” электроды (или “электроды отображения”), частично прозрачные, сгруппированы по два в каждом ряду и расположены на переднем стекле. При подаче импульсного напряжения на соответствующие X и Y электроды в данном субпикселе, находящемся на их “пересечении”, возникает “безэлектродный” импульсный разряд, по свойствам близкий к высокочастотному.

Напряжение на разрядных электродах ограничено «снизу» напряжением удержания разряда, а «сверху» - напряжением зажигания, при котором происходит образование плазмы в ячейке при отсутствии поджигающего импульса на адресном электроде. Яркость излучения пикселя регулируется методом широтно-импульсной модуляции, суть которого заключается в изменении соотношения длительности включенного («светится») и выключенного («не светится») состояния субпикселя. (Это дает обычно 2⁸ градаций яркости каждого субпикселя, что позволяет реализовать 16,7·10⁶ градаций цвета пикселя).