荧光灯条纹不稳定性的实验研究[3]

　　从图2a 中可以看出，随着冷端温度的降低，汞的原子辐射大为降低，而稀有气体的辐射逐渐升高。这说明，在冷端温度较低时，灯管内更多的稀有气体参与了放电过程，电子与稀有气体原子的非弹性碰撞频率增加。从图2b 中可以看出，在低温时，光信号具有幅值较大的高频分量；这对应了相对较强的条纹不稳定性。当温度升高时，高频分量的幅值迅速下降，即条纹不稳定性变得越来越不明显。将图2a、图2b 的现象结合起来，我们可以知道，当灯管的冷端温度降低后，汞蒸汽压大幅下降，电子与稀有气体原子的非弹性碰撞频率增加，电子温度上升；而此时，灯管中会出现较为明显的条纹不稳定性。因此，较低的汞蒸汽压和较高的电子温度，是荧光灯中条纹不稳定性出现的原因。更具体的说来，由于汞蒸汽压的降低，电子与稀有气体的非弹性碰撞频率升高，被激发的稀有气体原子数量大为上升。由于稀有气体的激发态能量都非常高（大于10eV），所以大量的高能电子被消耗。而激发态的稀有气体原子的电离能相对较小，所以稀有气体原子的分步电离在电子产生中具有越来越重要的作用。这是低气压稀有气体放电中出现条纹不稳定性的重要原因，同时也是荧光灯在冷端温度降低时出现条纹不稳定性的重要原因。

　　冈德曼（Gundermann）的研究工作曾经证实，潘宁效应（Penning Effect）有助于抑制稀有气体中的条纹不稳定性。其原因在于处于激发态和亚稳态的稀有气体原子浓度会被潘宁效应大为削减。考虑到氩和汞之间也存在着很强的潘宁效应，我们也可以认为工作在正常状态下的荧光灯当中有足够高的汞原子浓度来猝灭激发态和亚稳态的氩原子，从而抑制条纹不稳定性的出现。而当冷端温度降低，汞蒸汽压下降后，这种猝灭效应被削弱，对条纹不稳定性的抑制作用也被削弱了。这也从另外一个方面印证了上述分析，即大量氩原子的分步电离是产生条纹不稳定性的重要原因。

　　同时，在实验中我们也发现，经过冷却的灯管只在冷却的部分有条纹不稳定性，在其他区域，并没有探测到条纹不稳定性。这也可以利用上面的原理解释。虽然灯管经过局部冷却，但汞原子在灯管内的迁移需要时间。因此，未经冷却的灯管区域内，汞原子的浓度依然足够高，条纹不稳定性依然受到抑制。

　　3．结　论

　　本文通过实验手段对荧光灯中的条纹不稳定性进行了研究。实验发现，在50Hz 的工作条件下，条纹不稳定性与阴极区的扰动无关；而与灯管的冷端温度有很大关系。通过进一步的实验及分析得知，在实验条件下，灯管中的条纹不稳定性主要源自氩原子的分步激发和电离。汞除了作为主要发光物质存在以外，还可以猝灭激发态和亚稳态的氩原子，是稳定放电的一个重要因素。

　　参考文献
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