天之光——从《旋进宇宙论》到《旋进放电论》[3]

　　光源篇

　　e旋进放电论

　　导言：

　　气体放电主要有：正柱放电、负晕放电、正晕放电、空心阴极放电等方式，目前只有“正柱放电”具有照明价值。按照“正柱放电”制作的放电灯就是通常的管型荧光灯，它具有负阻特性，辐射功率和管长、管流成正比。

　　人们总希望象点白炽灯一样地使用荧光灯，这就出现了把直管荧光灯做成H、U、螺旋等型状的模式;

　　甚至将螺旋型管灯封装在白炽灯泡壳内，做成外观象白炽灯一样的小形荧光灯。

　　为了满足市场的需求，使人们真正地获得白炽灯式的荧光灯，必须探索新的灯芯结构和工作机理。

　　全新发明的气体发光二极管，即Gas-LED，是一种综合采用正晕放电和空心阴极放电的新型放电灯，它采用旋进放电的工作方式，具有白炽灯的外观、节能灯的效果、无极灯的寿命。

　　“旋进放电论”是在进行正晕放电和空心阴极放电的综合试验中逐渐形成的，它解说了Gas-LED中“强壮饱满的浑然一体的弧光的放电球”形成机制。

　　发明人在宇宙演化的“旋进原理”的启发下获得的这种“旋进放电论”，为气体放电的模式增添了新的一章!

　　技术领域：

　　LED是指发光二极管，LED又有无机发光二极管，即ILED;有机发光二极管，即OLED;ILED和OLED统称为固体发光二极管。Gas-LED是指气体发光二极管。

　　背景技术：

　　图1所示为日本的昭63-234976专利所公开的小形放电灯，在结构上阳极和阴极近距离设置且相互平行。这种灯芯将造成辉放电弧短路，阴极分解难以完成;在放电空间形成匀强电场，使放电落入正柱放电的模式，电极位降较大，阳极杆赤热(管流300mA，阳极杆800℃以上)。为了解决阳极赤热问题，该专利权人在阳极杆上采取了五种降温措施。这就使得灯的结构复杂，性价比较低。

　　类似的技术方案还有美国专利USP3243632等等。

　　图2所示为国内外市场上出现的另一款小形放电灯，采用V型长灯丝做电极。点灯是利用灯丝通电后达到热点工作温度，在灯丝两端放电形成辐射;显然该灯是利用了阴极分解的辉放原理。为了维持两端点放电，电子粉的涂敷只能局限在灯丝两端很短的范围，灯的寿命在2000小时左右，而且功率难以做大。

　　为了满足市场的需求，使人们真正地获得白炽灯式的荧光灯，必须探索新的灯芯结构和工作机理。

　　正晕放电是指阴极和阳极非平行设置，电极间分布非匀强电场，阴极的有效半径和阳极的有效半径之比大于自然常数e 。这种放电在阳极附近会产生阳极电晕，参与放电的主要就是阳极电晕层，阳极仅起传导电流的作用，这就有效缓解了阳极赤热问题;这种放电的阳极电晕层的厚度与放电电流成正比，放电呈正阻特性，且放电稳定。

　　如果把阴极制成具有内腔结构的型式，让阳极居于阴极内腔的中央，这样的放电就具备空心阴极放电的特性。电子从热点出来后，由于非匀强电场的作用，大部分电子的速度方向并不指向阳极，它们将沿抛物线轨道：在朝向阳极的空间受到电场的加速，在背离阳极的空间受到电场的减速，结果将绕着阳极做来回往复的振荡，这将导至电子与工作气体的碰撞次数增加，激发和电离的效果大大提高。这种放电具有很低的电极位降，很大的放电电流密度。

　　探索历程

　　日立(图1)、三共(图2)等公司开发的小型单灯芯放电灯，依然采用“正柱放电”的模式，有诸多弊端;笔者研发了采用“正晕放电”或“空心阴极放电”工作的小型单灯芯放电灯，其中有T、F、H、Λ、Ω、θ、X等型号。有的侧重于正晕放电，属高电压小电流工作方式，只在阳极附近局部放电，形成正电晕;有的侧重于空心阴极放电，等离子体被内腔式阴极屏蔽，自由程较短，仅在阳极周边产生辉光区。笔者在比对试验中发现：Ω灯芯结构的这款小型放电灯，其极间组合和电场分布较好地综合了正晕放电和空心阴极放电的条件，产生了意想不到的强壮饱满的浑然一体的弧光的放电球(图3、图4)。

　　这个梦幻般的“弧光放电球”是那样地强壮饱满、光芒四射，就象当年的烛光，灯芯虽小，灯焰却相当宏大!

　　Ω灯芯内激发的这个弧光放电球是怎样产生的?工作机理又是什么?笔者经过日夜寻思，想起了早年思考的“旋进原理”，从而创立了《旋进放电论》。

　　笔者把具有“强壮饱满的浑然一体的弧光的放电球”的Ω灯芯结构的这款小型放电灯命名为气体发光二极管，即Gas-LED,简称GLED 。

　　旋进放电是指GLED的极间组合和电场分布达到特定要求时，阳极到阴极的辐射状态的电场不仅滿足了正晕放电和空心阴极放电的条件，而且产生了意想不到的e旋进放电的效果。图5为e旋进放电的示意图，图5中a为阳极、c为阴极， 示正离子、 示电子。GLED由Ω形的阴极螺旋和居于腔内的柱状阳极构成的灯芯(图6);Ω形的阴极螺旋的顶部圆弧部分(C区)涂氧化物电子粉，Ω形的阴极螺旋的两侧脚(S和L区)涂电真空锆粉;柱状阳极居于内腔中央，工作气体与其它放电灯相同。

　　电子从Ω形阴极螺旋的顶部圆弧部分的热点发射出来，由于附近阴极的不平衡的推斥作用，使电子在离开热点时具有足够大的角动量，这样绝大多数电子就不会立即打到阳极上，而进入到由柱状阳极和Ω阴极建立起来的对称对数电场中(靠近芯柱侧的空心阴极放电区)，连续做e形螺旋轨道运动，具有很长的平均自由程(可达10米)。在电子做e形螺旋轨道运动的过程中汞蒸汽被激发，电子也损失了能量，轨道逐渐缩小，最后落到柱状阳极上。

　　汞蒸汽被激发生成的汞离子由于非匀强电场的作用，使汞离子同样具有足够大的角动量，这样绝大多数汞离子就不会立即打到热点上，而进入到由柱状阳极和Ω阴极建立起来的扇形辐射状的电场中(远离芯柱侧的正晕放电区)，以热点为焦点连续做大小不等的椭圆轨道运动，由于柱状阳极对汞离子的推斥作用，椭圆的长轴在灯芯外侧，同样具有很长的平均自由程。在汞离子做椭圆轨道运动的过程中，高速汞离子以自已的位能或动能激发大量的汞原子跃迁辐射紫外线，形成弧光的放电球。汞离子由于不断地激发汞原子也损失了能量，轨道逐渐缩小，同样完成e形螺旋轨道运动，最后落到Ω阴极的热点上。

　　由于等离子体间的相互作用(同种粒子相互排斥，异种粒子相互吸引)，电子和汞离子在做一个e形螺旋轨道放电的每一瞬间还有别一个的e形螺旋轨道的推进，即e旋进运动，从而完成e旋进放电，产生浑然一体的弧光的放电球!

　　本案的阳极杆和Ω形状的阴极螺旋的组合具有实出的实质性特点是：电子能从正晕放电区发射，到空心阴极放电区做e旋进运动;汞离子在空心阴极放电区产生，到正晕放电区做e旋进放电。电子和汞离子均具有很长的平均自由程(可达10米)，电子和汞离子的这种沿灯芯轴向的长行程的相向运动能让大量的汞原子跃迁辐射紫外线，激发出强壮饱满的浑然一体的弧光的放电球!

　　可以认定“强壮饱满的浑然一体的弧光的放电球”，是由于等离子体在GLED-Ω的灯芯内完成е螺旋、е旋进、е相向的3е运动产生的。