光源知识培训-气体放电的基本原理

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第四章 气体放电的基本原理,光源原理与设计,气体放电的基本原理,1,4.1,气体放电的辐射,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,2,自持放电条件,(e -1)=1,d,V,A,d,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,K,A,3,一,.,辐射的形成方式,1.,激发态粒子回到低能级态,(,基态,),时的自发,(,受激,),辐射线光谱,E=h,2.,正负带电粒子的复合辐射 连续谱,3.,带电粒子的减速产生的轫致辐射,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,4,二,.,线光谱,h,nm,=E,n,-E,m,=eV,nm,=hc/,nm,nm,=1239/V,nm,VV ,nm,nm,E,0,E,m,E,n,E,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,h,mn,h,n0,5,1.,不同元素的能级不同，其辐射的波长不同,选择性强,2.,共振辐射的效率,(,特别是第一共振态,),最高,3.,能级之间的跃迁服从选择定则,4.,线光谱辐射的功率密度,Pnm,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,6,定义,P,nm,=,n,n,A,nm,h,nm,An,m,从,nm,跃迁几率,LTE,下,n,n,由,Boltzmann,分布描述,n,n,=,n,0,g,n,g,0,exp(- ),E,n,KT,P,nm,=,n,0,g,n,g,0,A,nm,h,nm,exp(- ),KT,E,n,P,nm,：压力,p(,n,0,),，温度,T,，能级性质,(E,n,A,nm,),光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,7,5.,可见辐射的,E,范围,E,E,n,-E,m,E,1239,380,780,E,1.7ev(780nm),3.2ev(380nm),光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,8,三,.,分子的带状光谱,E,Ee,Ev,Er,E,Ee,Ev,Er,=,E,h,Ee,Ev,Er,h,=,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,9,以,E e,为主,分辨率不高时，为带状光谱,分辨率高时，有很多条谱线,大部分光谱在可见区及紫外区,Ra,气体放电灯矛盾：光效和显色性,热辐射光源矛盾：光效和寿命,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,10,四,.,连续光谱,e +AA+E,a) h,=E =E,i,-E,m,+,1,2,m,e,v,e,2,V,e,=0,为连续谱,E,Ei,Em,1,2,m,e,v,e,2,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,1.,复合辐射（,f-b,跃迁）,11,因为慢电子浓度高,(maxwell),而且更容易与,正电子复合,当,v=0,时,0,=,E,i,-E,m,h,为频率下限,c),辐,射总功率,P,cr,Z,n,e,T,e,4,2,-3/2,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,b),连续谱的特征,E,Em,En,h,h,0,f-b,f-f,m,e,v,e,2,- m,e,v,e,2,m,e,v,e,2,1,2,1,2,1,2,12,2.,轫致辐射,(f-f,跃迁,),e+A,+,A,+,+e+E,a) h,=,1,2,m,e,(V,e,-V,e, ),b),可证,P,cb,Z,n,e,T,e,2,2,2,2,-1/2,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,13,3.,连续光谱产生的特点,a),高气压大电流密度放电下，有强的连续光谱,b),放电蒸汽元素的,Z,越大，连续光谱越强，且,以复合辐射为主,c),高温下，连续光谱以轫致辐射为主高,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,14,五,.,气体放电光源辐射的特点,1.,工作温度不受灯丝材料性质的限制,2.,辐射光谱可选择,3.,寿命大大高于热辐射光源，光维持性好,4.,基本矛盾,-Ra,光谱放宽,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,15,4.2,光谱线的轮廓和放宽,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,16,一,.,光谱线的轮廓,光强度在一定波长区内,都有分布的现象，称光谱线,的放宽。其分布的形状就称,为谱线的轮廓。,I,c,I,max,0,h,I,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,Prof.,总强度,It=I,d,17,1.,产生放宽的机理,a),辐射原子自身原因：自然宽度，多普勒效应,b),外界原因：压力放宽,2.,光谱线轮廓的类型,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,18,a),定义,P,rof.,=,I,I,t,I,I,d,I,=I,t,*P,rof. ,I,d,=,I,t,P,rof.,d=I,t,P,rof.,d=I,t,P,rof.,d=1 “,归一化”性质,=,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,19,以频率,表示,Prof.=,c,2,Prof.,以,表示,Prof.=,1,2,Prof.,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,20,b),色散型,(,洛仑兹力,),轮廓,Prof.=,2,1,(- ,0,) + ( ),2,c),高斯型轮廓,Prof.=( ) exp- ,4Ln2,4Ln2(- ,0,),2,2,2,2,2,2,1,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,21,二,.,谱线的自然宽度,tt+dt,d,n,n,=- A,nm,n,n,dt,N,n,(t),=,n,n,0,e,-A,nm,t,=,n,n,o,e,-t/,n,nm,为跃迁的时间常数，是,A,nm,的倒数,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,初始条件：,t=0,n,|,t=0,=,n,n0,22,海森伯,(Heisenberg),测不准原理,E,nm,=h/2=,h,1.,定义：激发态原子寿命的不确定性引起能量的,不确定性，由此造成的谱线放宽称自然宽度。,2.,轮廓类型色散型,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,23,三,.,谱线的多普勒放宽,1.,定义：多普勒放宽,静止：,运动：,0,=,c,0,=,c+v,x,0,=,c,0,+,v,x,0,=,0,+,0,v,x,c,- ,0,0,=,v,x,c,=,0,2.,轮廓类型 ,Gausstype,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,观察者,V,Vx,24,四,.,谱线的压力放宽,1.,定义：受激原子受其它粒子的碰撞作用，使,辐射状态受干扰而产生的谱线放宽称压力放,宽。,a),共振放宽：同种原子对激发态原子的干扰,b),范德瓦尔斯放宽：不同种类原子对激发态原,子的干扰,c),斯塔克放宽：带电粒子对激发态原子的干扰,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,25,2.,轮廓的类型 色散型,a)Lorentz,理论：干扰下停止辐射,b)Lentz-Weisskof,理论：干扰时辐射的,频率发生变化,c)Lindholm,理论：干扰时相位产生位移,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,26,Reference:,1.W.Newman:,Spectrosopic Methods of Plasma Diagnostics,2.,统计物理学导论,3.,原子光谱学和激发光谱学,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,27,4.3,辐射转移,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,28,一,.,光谱的发射系数和吸收系数,1.,跃迁过程的分类,自发辐射跃迁 跃迁几率,Anm,吸收跃迁 吸收跃迁几率,B,mn,B,(),感应辐射跃迁 感应跃迁几率,B,nm,B,(),光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,n,m,自,发,辐,射,吸,收,感,应,辐,射,29,平衡下：,A,nm,n,n,+B,nm,B,(),n,n,= B,mn,B,(),n,m,1,LTE,下：,n,n,n,m,=,g,n,g,m,exp(- ),KT,h,nm,联立解有：,B,() =,A,nm,B,nm,1,g,m,B,mn,g,n,B,nm,e,h,KT,-1,2,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,30,由,planck,公式：,B,() =,8h,c,3,3,e,KT,-1,h,1,所以,8h,c,3,3,B,nm,A,nm,=,g,m,B,mn,=,g,n,B,nm,3,2,光谱的发射系数,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,31,定义：,=,dtdVdd,d E,4,=, +,s,i,4,自发辐射,感应辐射,有：,=,s,4,1,n,n,A,nm,hP,rof.,5,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,32,由,5,和,6,得：,对应：,=,i,4,1,n,n,B,nm,B,() hP,rof.,c,1,n,n,B,nm,L,B,hP,rof.,=,6,其中：,L,B,=,4,c,B,(),s,i,=,c,2,2h,3,L,B,7,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,33,平衡下：,4,1,n,n,A,nm,hP,rof.,c,1,n,n,B,nm,L,B,hP,rof.,+,c,1,n,m,B,mn,L,B,hP,rof.,=,8,光谱的吸收系数：,K,=,-,dL,L,dx,dL,=L,-,L,定义：,其中,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,x,x+dx,L,L,34,物理意义：,L,(x) =L,(0)e,-Kx,由基尔霍夫定律：,L,B,=,K,=,2 h,c,2,3,e,KT,-1,h,1,9,平衡下：,=, +,= K,L,B,s,i,对应,8,式：,K,c,1,n,n,B,mn,hP,rof.,=,10,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,0 x x,0,L,(0),L,(x),35,对某一谱线：,L,=,line,d=,s,4,1,n,n,A,nm,h,c,1,n,n,B,nm,L,B,h,L,=,line,d=,s,i,i,K,L,=,line,K,d=,c,1,n,m,B,mn,h,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,36,若把,看作负吸收，有总的吸收系数,K,i, +,= K,L,B,平衡下：,s,i,K,L,B,=,s,所以：,K,L,B,K,L,B,i,c,1,n,m,B,mn,L,B,hP,rof.,=,c,1,n,n,B,nm,L,B,hP,rof.,-,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,37,=,c,1,n,m,B,mn,L,B,hP,rof.,(1- ),n,m,B,mn,n,n,B,nm,=,K,L,B,(1-e ),KT,h,-,11,n,n,n,m,=,g,n,g,m,exp(- ),KT,h,g,m,B,mn,=,g,n,B,nm,K,L,B,=K,L,B,(1-e ),h,-,KT,12,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,38,+,=,K,L,B,e,h,-,KT,K,L,B,=,h,-,KT,e,13,二,.,辐射转移方程,dL,(x)=,(x)dx- K,(x)L,(x)dx,dL,(x),dx,=,(x)- K,(x)L,(x),1,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,L,(0),L,(x),L,(x,0,),L,(x+dx),0 x x+dx x,0,单位面积,39,1.,(x)=0,dL,(x),dx,=,- K,(x)L,(x),dL,(x),L,(x),=,- K,dx,2,在,0x,和,L,(0), L,(x),间积分,L,(x)= L,(0),exp(-,K,(x)dx),0,x,离开等离子体的辐亮度：,L,(x,0,)= L,(0),exp(-,K,(x)dx),0,x,0,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,3,4,40,2.,(x)0,设试解：,L,(x)= u(x),exp(-,K,(x)dx),x,0,x,代入后解得：,+L,(0),exp(-,K,(x)dx),0,x,0,L,(x,0,)=,(x)dx exp(-,K,(x)dx),0,x,0,x,x,0,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,5,41,三,.,以光性厚度为变量的辐射转移过程,定义：,K,(x)dx,为,xx,0,区间的光性厚度,辐射转移方程,1,可写为：,dL,(x),dx,=,(x)- K,(x)L,(x),dL,(x),dx,d,d,dL,(x),d,-K,(x),光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,x,x,0,42,dL,(x),d,= L,(x) -,(x),K,(x),= L,(x) -S,(x),6,S,(x)=,(x),K,(x),=,2 h,c,2,3,e,KT,-1,h,1,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,43,代试解：,L,(),u()e,L,(),-, S,()e d,-,(,0),+L,(0)e e,-(,0),离开,plasma,时：,L,(x,0,),S,()e d,(,0),+ L,(0)e,-(,0),0,讨论均匀的,plasma,条件：,L,(x,0,),L,(0)e +,S,()1-e ,-(,0),-(,0),光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,-,7,9, S,()e d,=,S,()1-e,-(,0),(,0),0,-,8,44,1. (,0)1,称光性厚等离子体,L,(x,0,),L,(0)+ S,(,),(,0,),L,(x,0,),S,(),=,2 h,c,2,3,e,KT,-1,h,1,光源原理与设计,气体放电的基本原理,诸定昌,10,11,45,