Баланс энергии в самостоятельном разряде

       Косвенное определение мощности, приходящейся на выход излучения с помощью измерении полной мощности iЕ_z рассеиваемой единицей длинны  ПС, и вычитания из этой величины измеренных значений мощности, теряемой на стенках (P_ω) и в объеме (P_g). Величина P_ω определялась по измеренной величине стеночного тока, величина P_g —по измеренной температуре газа как функции радиуса.

       Результаты  всех этих измерений баланса энергии ПС хорошо описываются качественными диаграммами Клярфельда (рис.7.1)

                                                    .

   Рис.7.1. Относительный вклад различных  механизмов потерь мощности положительного столба в зависимости от давления газа. 
 

       На  этих диаграммах по оси абсцисс отложена величина давления газа в ПС (при данном токе), по оси ординат — относительные величины всех видов потерь мощности ПС: потери на стенке (η_ω) потери на нагрев газа (η_g) потери на выход резонансного (η_r1) и нерезонансного (η_r2) излучения. Сумма всех этих величин равна единице.

       Потери  на стенках велики только при малых  давлениях газа, когда концентрация нейтральных атомов мала, упругие потери в объеме на нагрев газа (η_g) малы; число возбуждающих соударений того же порядка, что и число ионизующих, но энергия возбуждения меньше, чем энергия ионизации (которая в конечном счете уносится на стенки). Величина η_ω несколько возрастает при давлении 10^-1÷1 мм рт. ст. Это объясняется тем, что при данном токе концентрация электронов в ПС увеличивается с ростом давления и величина стеночного тока j_pω=e₀D_am(dn_e/dr)_R, а вместе с ней и P_w вследствие этого проходят через максимум, так как D_am падает с ростом давления.

       Величина  упругих потерь на нагрев газа (η_g) при малых давлениях растет с увеличением давления, так как увеличивается частота упругих столкновений электронов с атомами газа. При больших давлениях (р >10²мм рт. ст.) величина η_g падает из-за большой роли нерезонансного излучения, выход которого возрастает вследствие увеличения концентрации возбужденных атомов и возрастания частоты ступенчатых возбуждений.

       Мощность  резонансного излучения η_r1 с увеличением давления газа возрастает, так как увеличивается концентрация нормальных атомов и электронов, т. е. растет число возбуждающих соударений. В то же время при малых давлениях еще мала роль ударов II рода (тушений), разрушающих резонансно-возбужденные состояния. При дальнейшем росте давления увеличивается частота тушащих соударений, концентрация резонансно -возбужденных атомов стремится к равновесной; мощность резонансного излучения определяется, с одной стороны, величиной этой концентрации, возрастающей с ростом плотности газа, с другой стороны, условиями выхода резонансного излучения из объема ПС, ухудшающимися по мере роста концентрации нормальных атомов. (Это связано с уменьшением «длины свободного пробега» кванта; при больших плотностях излучают только поверхностные слои газа.) При достаточно больших оптических плотностях мощность излучения, уносимая в центральной части резонансной линии, определяется формулой Планка для излучения черного тела с температурой Т_е; поскольку ширина резонансной линии сравнительно невелика, то доля резонансного излучения при больших давлениях (когда условия в ПС близки к равновесным) невелика по сравнению с долей нерезонансного излучения (которое переносится многими линиями). Контракция ПС осложняет картину выхода резонансного излучения из-за самообращения резонансных линий, когда слои холодного газа поглощают резонансное излучение в центре линии и пропускают в крыльях линии.

       Мощность  излучения, уносимого в нерезонансных  линиях, мала по сравнению с мощностью резонансного излучения при низких давлениях газа (см. рис.7.1). С ростом давления газа увеличивается концентрация нормальных атомов и концентрация электронов, растет также частота ступенчатого возбуждения. Поэтому доля нерезонансного излучения η_r2 сначала возрастает. При дальнейшем увеличении плотности газа (p>1 mm pm. cm.) величина η_r2 начинает падать (главным образом из-за уменьшения электронной температуры, а также из-за увеличения частоты тушащих соударений); затем (при р > 10² мм pm. cm.) она снова растет, так как условия в ПС приближаются к равновесным, сумма концентраций возбуждаемых атомов на уровнях, излучающих нерезонансные линии, становится в некоторых случаях больше концентрации резонансно-возбужденных атомов; а так как нерезонансное излучение мало реабсорбировано, его вклад становится выше, чем вклад резонансного излучения. Другая причина относительного роста η_r2 — уменьшение величины η_g из-за нагрева газа на оси контрагированного при этих давлениях ПС: нагрев газа приводит к уменьшению плотности в шнуре и к уменьшению величины (Т_е — T_g)/T_gt которой пропорциональна мощность упругих потерь, т. е. величина η_g.  

ЛИТЕРАТУРА

1. Рохлин Г.Н.  Разрядные источники света-2-е  изд., перераб. и доп.- М.: энерго-атомиздат  1991. – 720с – ISBN 5-283-00548-8 

2. Электрический  ток в газе. Установившийся ток,  Грановский В.Л.., под ред. Л.А.  Сена и В.Е. Голанта, Главная  редакция физико-математической литературы издательства «Наука» 1971