用于熒光燈管的全新第四代電子源(二）

小澤隆二，田亞葵

(北京天洋浦泰投資咨詢有限公司，北京 100089）

盡管點亮FL管內(nèi)的鎢絲線圈通過斷開輝光放電管開關(guān)而不再被焦耳熱加熱，HCFL管內(nèi)的鎢絲線圈還是有不均等的溫度，它相當(dāng)于短時間焦耳熱的不均等加熱。點亮FL管內(nèi)鎢絲線圈不均等加熱取決于運行時間。點亮FL管內(nèi)帶有BaO顆粒的鎢絲線圈在長時間運行時不被加熱，只有點亮FL管內(nèi)鎢絲線圈里的裸金屬斑點被其他東西選擇性加熱。

圖4 點亮FL管的照片

圖5 點亮FL管中帶有BaO顆粒鎢絲線圈的照片

點亮FL管的照片如圖4(a）所示，通過一個塔絲，點亮HCFL管兩端的整個鎢絲線圈似乎都被加熱到高溫。觀察結(jié)果由人眼做出，它有敏感曲線的飽和。圍繞著加熱區(qū)域和來自加熱斑點的發(fā)光具有強密度的散射光，人眼的觀察無法分離散射光。散射光可通過低感光度從照片上除去，圖4(b）顯示采用低感光度照相機拍攝的相同點亮FL管鎢絲線圈的放大照片(1.5倍），你可以清晰地識別鎢絲線圈兩端加熱和未加熱的區(qū)域。圖4的結(jié)果是從FL管內(nèi)較差的鎢絲線圈獲得的，如同許多民用FL管。FL管必須安置如圖2所示的理想鎢絲線圈。圖5顯示點亮FL管內(nèi)理想鎢絲線圈加熱的照片，點亮FL管采用80 Vac電壓加載到電極上。你可以看到含有BaO顆粒鎢絲線圈的大區(qū)域沒有被加熱，并且只有裸金屬斑點被加熱到較低溫度(600℃）。點亮FL管內(nèi)裸金屬斑點的加熱溫度通過施加到電極上的ac電壓改變。

采用理想鎢絲線圈的FL管點亮的亮度與民用HCFL管的亮度相類似，表明裸金屬點的加熱溫度，對于點亮FL管電子源的產(chǎn)生不是重點擔(dān)心的。這是設(shè)計FL管實踐中的一個重要發(fā)現(xiàn)，差別在于運行壽命。加熱裸金屬斑點的較低溫度導(dǎo)致更長的運行壽命，伴隨較少加熱金屬的蒸發(fā)。鎢絲線圈獲得較低加載到電極上的較低ac電壓，如圖2所示。換句話說，點亮FL管的運行壽命隨著帶有BaO粒子鎢絲線圈的品質(zhì)顯著改變。鎢絲線圈上BaO粒子的大數(shù)量導(dǎo)致受熱斑點的高溫，它將鎢絲在真空中蒸發(fā)掉，導(dǎo)致FL管運行壽命的縮短。

從以上觀察中我們可以得出一個結(jié)論，在點亮FL管內(nèi)產(chǎn)生全新4G電子源的先決條件關(guān)系到裸金屬斑點加熱到600℃以上。在600℃的鎢絲從不發(fā)射熱電子，點亮FL管的電子源既不是受熱裸金屬斑點，也不是受熱BaO粒子的影響。我們必須找出點亮FL內(nèi)的新電子源。

眾所周知，F(xiàn)L管需要高ac電壓，被稱之為點火電壓。圖5中帶有BaO層鎢絲線圈的大部分區(qū)域是暗的，這表明鎢絲線圈里沒有來自BaO層的熱電子發(fā)射。BaO顆粒在鎢絲線圈上，但是，在點亮FL管中有重要的角色。鎢絲線圈上的BaO顆粒的角色是:(1）增強施加到氬氣體空間的電壓;(2）保持鎢絲線圈內(nèi)受熱裸金屬斑點的溫度，裸金屬斑點在ac施加電壓的半周期內(nèi)不被加熱。氬氣體空間極化BaO粒子的極性與電極的極性一致，所以，極化BaO粒子增強施加到氬氣體空間的ac電壓。極化強度通過結(jié)晶良好的BaO顆粒得以加強。受熱裸金屬斑點附近的BaO顆粒被裸金屬斑點加熱，BaO顆粒具有大的熱容量。

我們將首先討論通過焦耳熱在裸金屬斑點上BaO顆粒的熱效應(yīng)。指定的外施ac電壓加載到鎢絲線圈，微小裸金屬斑點(大約是線圈的5圈）快速加熱到平衡溫度。如果裸金屬斑點過于小(少于3圈），斑點達到平衡溫度的加熱速度，隨裸金屬斑點附近BaO顆粒的加熱而減速。若裸金屬斑點過寬(大于10圈），由于熱分布的不均衡，裸金屬斑點的溫度上升同樣緩慢。為了迅速加熱，裸金屬斑點的尺寸有一個優(yōu)化(大約5圈）。對于給定尺寸的裸金屬斑點，受熱溫度隨鎢絲線圈上BaO顆粒的數(shù)量而改變。僅采用如圖2所示的鎢絲線圈能獲得重復(fù)性實驗，裸金屬斑點的尺寸變化導(dǎo)致未點亮HCFL管的啟動困難，這表明民用HCFL管啟動條件的變化。帶有鎢絲線圈的FL管具有BaO顆粒，不用來自受熱BaO顆粒的熱電子，它利用鎢絲線圈里的裸金屬斑點。不要在FL管內(nèi)的鎢絲線圈上使用過量的BaO顆粒，過量的BaO顆粒導(dǎo)致運行壽命的縮短。

我們現(xiàn)在來描述點亮FL管內(nèi)真正的4G電子源。受熱裸金屬斑點上的氬氣體被加熱到相同溫度，受熱氬氣體與冷氬氣體有熱交換，氬氣體的熱交換導(dǎo)致受熱氬氣體空間的體積增大。受熱氬原子具有較低的電離能，因此，處于受熱氬氣體內(nèi)的氬原子伴隨施加到電極上的較低電壓電離。電離的氬(Ar1+）和電子(e－）不被人眼所見。幸運的是，作為副產(chǎn)品，氬原子的電離總是伴隨有一定數(shù)量的氬原子激發(fā)(Ar*）。受激氬原子在受熱氬氣體容積內(nèi)發(fā)射天藍色的光，受熱氬氣體空間的存在和大小可通過天藍色的光來認(rèn)識。我們可以識別電離氬氣體的體積。電離Ar1+與Ar*的數(shù)量之比在100到1的范圍。受熱氬氣體空間中，只有較少數(shù)量的Ar*發(fā)射天藍色光，其他的為人眼所不見。來自Ar*的天藍色光在分類上屬于暈光。因此，電離氬氣體空間被稱為“高溫氬暈空間”(HTACS），受熱裸金屬斑點上的HTACS的體積如圖4(a）所示，HTACS是點亮FL管內(nèi)的電子源和電子收集源。HTACS的尺寸隨鎢絲線圈的條件而不同，圖4中左邊的HTACS相對于右邊的HTACS具有較大的體積。盡管左右兩邊HTACS的大小不一樣，但點亮FL管的表現(xiàn)并不受所形成 HTACS體積的影響。HTACS的體積 VHTACS表示為 πφ2×4－1，依據(jù) FL 管的直徑，VHTACS計算為3 cm3～15 cm3。

圖4中的受熱氬氣體空間擴展到FL玻璃墻的內(nèi)壁，因此，玻璃墻被HTACS的溫度加熱，圖6顯示玻璃外墻的溫度曲線圖，它通過附屬點亮HCFL管玻璃墻的熱電偶檢測到，室溫是19℃。玻璃墻2 cm處的HTACS溫度最高(33℃）。如果采用民用溫度計，例如Venter 350，測量點亮FL管的溫度，溫度計在距離玻璃墻一定距離外檢測到熱輻射，所檢測到的熱輻射包括鎢絲線圈上的受熱裸金屬斑點。圖7顯示采用民用溫度計檢測到的點亮FL管的溫度曲線圖，溫度曲線圖與圖6的不同，我們采用圖6的結(jié)果。圖6中HTACS 的體積 VHTACS計算為 3 cm3(1.42π × 4－1）。HTACS的大體積含有許多Ar1+和自由電子，它們不均勻分布在HTACS內(nèi)。HTACS的大體積是點亮FL管氬氣體空間內(nèi)運動電子散布的有利因素，點亮FL管內(nèi)的散布電子具有短的平均自由程。

圖6 點亮FL管玻璃外墻的溫度曲線圖溫度通過玻璃墻上的附屬熱電偶測得

圖7 點亮FL管的溫度曲線圖采用民用溫度計Venter 350檢測

圖5是采用80 V運行的點亮FL管的鎢絲線圈，當(dāng)FL管在75 V以下運行時，鎢絲線圈里的受熱紅斑點從點亮FL管消失，HTACS也從點亮FL管消失。所以，發(fā)光也從FL管消失，外ac驅(qū)動裝置的電子線路在未點亮FL管的電極處斷開。這一結(jié)論表明裸金屬斑點的重要性，裸金屬斑點是被來自HTACS的電子加熱的。我們必須發(fā)現(xiàn)裸金屬斑點被來自HTACS的電子加熱的新機制。

經(jīng)過多次嘗試后，我們終于得出結(jié)論，微小裸金屬斑點是被來自HTACS的流光電子輻射加熱的。在形成HTACS之后，由于HTACS中Ar1+的存在而造成的中性真空，立即使得電子在其中運動困難。然后，HTACS內(nèi)裸金屬附近的電子向標(biāo)靶聚集，這是覆蓋有BaO層鎢絲線圈中具有最高正電勢和最低電導(dǎo)的地方，標(biāo)靶就是裸金屬斑點。聚集電子并不向鎢絲線圈上的BaO絕緣顆粒接近。更精確的描述，高密度的聚集電子在HTACS內(nèi)形成流光電子，如同通過雷云中負(fù)電荷在天空形成閃電的早期形態(tài)。流光電子轟擊裸金屬斑點，斑點加熱到需要的溫度。裸金屬斑點的加熱溫度被施加到電極的電壓所控制，高電壓產(chǎn)生高溫度。

圖8 建議照片鎢絲線圈的裸金屬部分被來自點亮FL管內(nèi)HTACS的流光電子加熱

圖8照片簡要說明，HTACS內(nèi)的聚集流光電子選擇性轟擊裸金屬斑點，將其加熱到紅色溫度。聚集電子不接近帶有BaO顆粒鎢絲線圈的昏暗區(qū)域，這里是電絕緣體。我們必須確認(rèn)作為流光電子靶標(biāo)的裸金屬斑點的極性，確認(rèn)通過向電極施加dc電壓實現(xiàn)。

實驗僅在FL管發(fā)光情況下進行，這里給電極應(yīng)用高于500 V的dc電壓。當(dāng)dc電壓加載到FL管的電極時，它被焦耳熱加熱，HTACS出現(xiàn)在電極{陽極(+）}的一邊，而電極的另一邊{陰極 (－）}沒有HTACS。流光電子只轟擊鎢絲線圈內(nèi)陽性的裸金屬斑點。必須注意，非常精巧的實驗要求對電極應(yīng)用dc電壓。

圖9 點亮FL管中兩個HTACS之間的電子流和外施ac電壓半周期內(nèi)電流的方向

在真空裝置里，陰極向真空提供電子，而陽極從真空中收集電子。在FL管中，陰極金屬不提供電子，F(xiàn)L管當(dāng)具有HTACS時被點亮。HTACS含有許多自由電子和Ar1+，電子取自負(fù)電極上的HTACS，而在正電極上HTACS內(nèi)的Ar1+收集到達的電子。到達的電子與HTACS內(nèi)的Ar1+復(fù)合返回氬原子。內(nèi)電子線路通過處于點亮FL管兩邊HTACS之間的電子運動實現(xiàn)閉合。圖9簡述在所施加ac電壓半周期內(nèi)HTACS之間的電子流。

鎢絲線圈上的裸金屬斑點只在所施加ac電壓半周期加熱，斑點在隨后的半周期內(nèi)不被流光電子輻射。鎢絲是金屬，具有電導(dǎo)和熱導(dǎo)，受熱金屬斑點迅速降溫到閾值溫度600℃以下。受熱裸金屬斑點必須在隨后的半周期內(nèi)保持閾值溫度。在受熱裸金屬斑點附近的受熱BaO顆粒，它有大的熱容量，在半周期期間保持裸金屬斑點的溫度。所以，點亮FL管內(nèi)的裸金屬斑點在ac運行中總是保持溫度，如圖9所示。采用200 V和50 Hz運行的點亮FL管內(nèi)的受熱BaO顆粒，在隨后的半周期內(nèi)保持閾值溫度10 ms。

圖10 在ac電壓半周期的運行中，HTACS在陽極電極(+）一邊形成，且在沒有BaO顆粒的陰極電極(－）上不形成HTACS。沒有HTACS，也就沒有取自陰極電極的電子

如上所述，外ac驅(qū)動裝置通過Ar1+形成的電容器Ctube內(nèi)的感生ac電流實現(xiàn)電性連接。在未點亮HCFL內(nèi)不形成電容器Ctube。當(dāng)鎢絲線圈的一端沒有BaO顆粒，在陰極(－）上不形成HTACS，如圖10所示。據(jù)此，在半周期內(nèi)從陰極到氬氣體空間沒有電子流動。換句話說，在氬氣體空間因沒有運動電子而沒有氬原子的電離。因此，外ac驅(qū)動電路在具有負(fù)電勢的電極處斷開。隨后的半周期，從陰極上HTACS到裸金屬斑點陽極的電子流閉合外ac電路，如圖11所示。200年來已經(jīng)眾所周知，任何尖端金屬陽極可能從真空和氣體空間收集到達的電子。

圖11 在帶有BaO顆粒鎢絲線圈內(nèi)受熱裸金屬上，取自HTACS的電子在隨后的ac電壓半周期內(nèi)向裸鎢絲線圈運動

以上陳述可以通過檢測外ac驅(qū)動裝置的電壓v和電流i波形來確認(rèn)。圖12顯示采用150 V和30 kHz運行的FL管電極處檢測到的ac電壓v的波形，和來自電極導(dǎo)線里的ac電流i。當(dāng)鎢絲線圈的一端沒有BaO顆粒，如圖12(a）所示，所檢測未點亮FL管ac電流i的波形，確實在半周期內(nèi)沒有ac電流。在此，裸鎢絲線圈(－）沒有HTACS。當(dāng)鎢絲線圈的兩端都有HTACS時，如圖12(b）所示，檢測到的ac電壓v和ac電流i表明，外ac驅(qū)動電路是閉合的。需要注意，圖12所示的波形實驗不能在低于20kHz頻率電壓運行的FL管上做。

圖12 點亮FL管的波形，采用200 V和30 kHz運行

圖12的結(jié)果告訴我們另一個在未點亮FL管中生成HTACS的方法，新方法形成HTACS的先決條件是氬原子的電離，通過施加高于20 kHz高頻率的高ac電壓，使得氬氣體空間里鎢絲線圈上BaO顆粒前面的氬原子電離。在電離氬氣體空間內(nèi)的小體積里形成流光電子，流光電子輻射到裸金屬斑點上，如圖8所示，裸金屬斑點的溫度立即上升到600℃以上。然后，HTACS在受熱斑點周圍形成，是的，確實如此。未點亮FL管立即被所應(yīng)用的ac 800 V和30 kHz點亮，裸金屬斑點不用焦耳熱。通過高頻形成HTACS的細(xì)節(jié)將在其他地方報告。

通過實驗我們發(fā)現(xiàn)，HTACS在帶有BaO顆粒的鎢絲線圈上的受熱裸金屬斑點上形成，HTACS是全新的電子源。帶有BaO顆粒的鎢絲線圈受熱裸金屬斑點上的 HTACS是點亮 FL管內(nèi)的第四代(4G）電子源。

3 小結(jié)

通過實驗發(fā)現(xiàn)，用于點亮FL管里內(nèi)電子線路的全新電子源(4G電子源）帶有顆粒的鎢絲線圈。全新電子源是高溫氬暈空間(HTACS），它在帶有BaO顆粒鎢絲線圈里的受熱微小裸金屬斑點上形成。形成HTACS的先決條件是有名無實的HCFL管內(nèi)的受熱斑點達到600℃以上，輔助條件是圍繞受熱斑點受熱氬氣體空間內(nèi)的氬原子電離。點亮FL管內(nèi)的加熱源是來自HTACS的流光電子，當(dāng)鎢絲線圈具有正電勢時，流光電子輻射到裸金屬斑點上，而處于負(fù)電勢時不輻射在裸金屬斑點上。因此，鎢絲線圈上的裸金屬斑點在ac加載電壓半周期內(nèi)被加熱，而隨后的半周期不被加熱。在點亮FL管的ac運行中，受熱斑點附近的受熱BaO顆粒，它有大的熱容量，在隨后的半周期保持溫度。然后，通過ac電壓的運行，在點亮FL管內(nèi)鎢絲線圈的兩端總是形成HTACS。在內(nèi)電子線路中，取自HTACS的電子從電極的陰極(－）向陽極(+）運動，到達陽極HTACS的電子與Ar1+復(fù)合返回氬原子。氬氣體空間里運動電子的方向與所施加周期相反并同步變化。實驗清晰顯示，外ac驅(qū)動電路通過電容器Ctube的感生ac電流閉合，電容器Ctube只在點亮FL管中形成。

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