平板氙灯的电极结构对放电特性的影响

毕一航

物理与光电工程学院光电信息科学与工程

摘要:平板氙灯又称作等离子体背光源，其是一种利用混合气体放电的新型平板光源，其中的混合气体为氙气和氖气。平板氙灯拥有着无汞污染、抗干扰性强、具有很高稳定性等优势，因此平板氙灯具有着广阔的应用和发展前景。本篇论文以平板氙灯为研究对象，因为其本身具有两种电极结构，一种为相对放电，一种为表面放电，研究其在表面放电过程中，电极的结构对其放电特性的影响。在了解了平板氙灯的放电原理为基础的情况之下，利用了粒子网格—蒙特卡罗碰撞（PIC-MCC）数值模拟的方法，模拟一个放电单位的模型并在此模型之下通过改变其电极结构的参数对其放电过程进行模拟，最终对放电参数与模拟结果进行分析对比。为之后的等离子体背光源的设计与优化提供了一定的思路与参考。

关键词：平板氙灯；气体放电；PIC-MCC；电极结

Influence of Electrode Structure of Flat Xenon Lamp on Discharge Characteristics

Bi Yihang

School of Physics and Optoelectronic Engineering, Nanjing University of Information Science and Technology Optoelectronic Information Science and Engineering

Abstract: Flattened xenon lamp is also called plasma back light source. It is a new type of flat plate light source using mixed gas discharge. The mixed gas is xenon gas and xenon gas. Plate Xenon lamp has the advantages of mercury-free pollution, strong anti-interference, and high stability, so the flat-panel Xenon lamp has a broad application and development prospects. In this thesis, flattened xenon lamp is taken as the research object because it has two kinds of electrode structures, one is relative discharge and the other is surface discharge. The influence of the structure of the electrode on the discharge characteristics during the surface discharge is studied. Under the condition of understanding the discharge principle of the flat Xenon lamp, a particle grid-Monte Carlo collision (PIC-MCC) numerical simulation method was used to simulate a discharge unit model and change it under this model. The parameters of the electrode structure simulate the discharge process. Finally, the discharge parameters are compared with the simulation results. It provides some ideas and references for the design and optimization of the plasma backlight.

Key words: flat xenon lamp; gas discharge; PIC-MCC; electrode structure

一．平板氙灯工作原理与发光特性

由一个带正电的原子核和电子构成了原子（如图1所示）电子围绕在原子核周围呈圆形轨道运动。实际上，电子所运行的轨迹并不是一个标准的圆而更接近于椭圆，且这些“椭圆”因为其不同的形状也会改变原子的状态。同一主量子数中不一样的轨道角动量（用表示）可以表示不一样的轨道。原子内电子的自旋和磁场的改变也会引起原子光谱的变化，因而需要大量的计算才能得到电子（复杂电子周围）的能级。主量子数会相互之间存在着差异，而核外电子角量子数也会彼此之间存在着差异，正是由于前两者之间的差异才导致了能级的不同。总而言之，能量最低的轨道上只要存在着核外电子的运动的话就称之为基态，若要从基态跃迁至下条能量更高的轨道就需要得到足够的能量才能实现。在这个状态下的原子的状态便被称为激发态，如果在这之后原子还能够接着得到能量并且达到饱和，于是乎电子就会从原先的原子轨道脱离，脱离了轨道的电子便成为了所谓的自由电子，在此过程后原子便携带了正电，“电离”就是上述一整个过程的总称。

若形容电子的电离为一个正过程，那么自由电子的复合过程就是一个反过程。在这个反过程中，之前所获得的能量会被自由电子以辐射光子的形式转移出去。正是由于电子复合时辐射出的光子致使气体放电灯发光。所以若想了解解释气体放电灯所产生的所有现象就得对原子结构，电子轨道等各方面的知识进行深入的学习与掌握。

图1 简单玻尔原子模型

所有气体放电灯中的电极都是放电过程的起始点所以氙灯也不例外，在氙灯中，电极的表面性质会造成对放电过程的影响，同时气体击穿与放电都需要电极且电极在两个过程中都存在着相当重要的作用。电子从金属的表面进行发射的现象实际上与原子的模型描述是相似甚至相同的，这个过程就应该运用到量子力学来进行简洁的叙述。

一般来说，其他因素是不会约束到金属表面电子的运动，但是由于电子的动能小于势阱，因此原子核约束住了电子使其无法逃逸出金属表面。当电子获取了足够的能量后便能够逃逸而出。

（1）热发射：根据上面的叙述我们可以了解到，在常温情况下因为大部分电子的能量都小于势阱能量那么电子就无法逃逸出金属的表面从而被束缚。所以如果电子需要逃逸而出就必须要从外界获取一定的能量，而这部分能量就能够因为金属的温度升高而得以实现，这便使一些电子的能量大于了势阱从而能够从金属表面逸出。“热发射”就是对上述的整个过程的统称。

（2）光电发射：当金属的表面被具有一定频率的光照射到时便会有电子从金属表面逸出。而上述的一整个过程被称之为光电效应。海因里希·鲁道夫·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）是最先发现上述光电效应的人，在被发现之后又由爱因斯坦提出并且完善了光电效应理论：如果我们能够假设出能量为大小的光子照射到金属表面，那么我们就可以通过假设的光子能量求出具体的逸出电子的能量为：

（1）

在上述的公式中电子的质量用其来表示，那么我们观察公式便可以知道能够对电子能量产生影响的量为表面逸出功其大小的不一是主要影响电子能量大小不同的量。如果电子想要逃离金属的束缚从表面逃逸而出，那么光子能量必须达到一个最小值。表面逸出功是0时，则光子要达到的最小频率为：

（2）

光电效应也会被应用到为了维持电场电离的稳定放电。

场致发射：上述两种情况的原理本质上都是因为电子会受到外部的影响然后引起了超出势阱而从金属表面逸出的情况，而能够造成这样现象的外部影响便是电子从外部获取了足够的能量。然而如果外加一个电场的话，电子也会在其的作用下变得更容易从金属的表面发生逸出现象，我们将这种情况称之为“场致发射”。假设在的地方是此时电子的位置，那么在处于相对的的位置下的正电荷的电场分布是和上述的电子一样的，于是我们就能够通过库伦定律可以得到：