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无汞氙灯正阳极放电数值研究
Jiting Ouyang,a） Feng He, and Jinsong Miao
北京理工大学理学院，邮政信箱327，北京100081，中国
Jianqi Wang and Wenbo Hu
物理电子与器件教育部重点实验室，710049西安交通大学，西安，中国
（收到于2006年8月15日；接受于2006年11月19日；网上公布于2007年2月2日）
本文中，对无汞氙灯正阳极放电进行了数值模拟研究。对基于二维流体模型仿真的等离子体放电特征进行了数值分析。描述了电极几何形状的影响，如电介质层，电极宽度，电极间隙，和灯管高度，和填充气体，包括压力和氙气百分比的放电电流和放电的影响效率。结果表明，在施加交流正弦电源时，氙灯内会形成一个长的瞬态正柱，该灯可以在较大的电压和频率范围内工作。灯管的前介电层在氙灯中起着重要的作用，而背面层的影响不大。电极间隙与灯管高度之比应较大，以实现长正柱氙灯。压力或氙浓度的增加会导致放电效率和电压的增加。这些讨论将有助于商业氙气灯电池的设计。copy;2007美国物理研究所。关键词：10.1063/1.2432024
引言
由于环境监管的压力，无汞荧光灯的研究最近很受欢迎。1-3液晶显示器背光是无汞灯最重要的应用之一。介质阻挡放电可以在较大范围的压力产生高活性的低温等离子体，可以广泛应用于紫外光源。4一个典型的例子是无汞荧光灯以平面或共面DBD方法的气体混合物的氩-氖-氙，氦-氖-氙，或氖-氙在高压运行，其中氙气通常用作紫外线激发体，而其他稀有气体是用来降低操作电压。原理是常用的等离子体显示板PDPs。5PD产品电极间隙的气体压力是几个Torr cm，其放电是典型的辉光放电。一般正柱在阳极区的瞬时放电过程中非常高效的氙气激发并因此共面的PDP的UV生产。一个实现了长正柱是用一个大间隙共面DBD结构的可能途径，5-6其中PD值是几十torr cm，比传统的PDP大得多。在这大间隙共面DBD灯，均匀的正柱将阴极和阳极和叶鞘长度之间形成很小3（氙气正柱灯）。有了这个配置，所施加的电压高达超过1千伏的频率为20 - 200千赫。电源通常是交流正弦波或脉冲电压，而不是方波，使之更容易制造。共面DBD型氙灯由小的放电单元矩阵组成。灯管尺寸很小，详细的实验表明放电特性是困难的。因此，数值模拟是必不可少的了解放电过程中的DBD单元。在PDP条件下，流体模型是非常有效的描述瞬态等离子体被视为场平均值。流体模型已被广泛采用在PDP调查。7-15虽然单元蒙特卡罗程序PIC-MCC粒子也是等离子体处理等离子体粒子模拟的一种有效方法，它的成本很长的计算时间，因为要考虑大量的微放电的粒子。5,16
研究表明气相动力学可应用于正极柱氙灯效能的研究。3同时，依赖于结构的几何形状的放电特性是需要明显设计的正柱放电配置。在这项研究中，我们研究了氙灯结构的几何形状的放电特性的影响（在灯电池放电的二维流体模型数值分析）的操作电压，电介质层，以及对放电特性的气体条件的影响进行了研究。结果是实际应用的氙正柱灯的重要设计数据。
建模
用二维流体模型研究了氙正柱灯的放电过程后，我们认为氙-氖混合气体，包括带电粒子的电子，原子离子（Xe Ne ）和分子离子（Ne2 ，Xe2 ，NeXe ）和激发态的Xe*（3P1），Xe*（3P2），Xe**，Xe2*（Ou ），Xe2*（3Sigma;u ）, Xe2*（1Sigma;u ）和Ne*（3P1-3P2）。每个粒子的空间和时间分布的计算，通过求解耦合方程：
, （1）
, （2）
, （3）
其中，，，，和是数密度，通量，源函数，流动，扩散系数和第类电荷，E 为电场，为介电常数。是为0的不带电物质。
方程（1）是物种密度的连续方程.方程（2）是漂移扩散近似下粒子通量的动量传递方程，包括迁移驱动漂移项和扩散项。方程（3）是电场的泊松方程。
局部场近似（LEA）用于计算源项和输运系数7-12。有效使用LFA已经被Punset等人讨论。9源函数和迁移率认为与约化电场E / P有关 ( E是电场强度，P是气体压力)。源速率可以很容易地推导出的电荷粒子的创建和损失出现在表I中列出的反应，考虑到在这个模型中。电离速率常数、激发速度、迁移率，在碰撞发生的横截面18-26利用玻耳兹曼方程求解Bolsig 17。从爱因斯坦关系得到的扩散系数（其中为玻尔兹曼常数，为单位电荷）：正离子温度被设定为等于气体温度, 电子温度应该是。如Meunier等人表述，8 Hostein逸出因子27是用来描述长度的谐振状态的Xe *（3P1）由于辐射俘获的表观寿命。
， （4）
, （5）
其中P代表离子或激发粒子，e代表电子，是二次电子发射系数，n是单位法线向量朝向墙壁，vi,th是第i类粒子的平均热速度，其中是粒子质量。如果漂移速度矢量是朝向介质层，参数A设置为1，否则设置为零。
, （6）
结论
利用二维流体模型对基于长间隙共面DBD的无汞荧光灯的正柱放电进行了数值模拟。电池的几何形状，如介电层，电极宽度，电极间隙，和单元的高度，和填充气体，包括压力和氙气百分比的影响进行了调查的放电电流和放电效率方面。在交流正弦电源驱动下，氙灯中会形成一个长的瞬态正柱。氙灯放电电压和频率范围大，放电特性和效率相近。电池的前介电层在氙灯中起着重要的作用，决定放电电流和能量输入到电池以及放电效率，而背面层的影响不大。单元高度应小，电极间隙与电池高度之比应在20 - 30范围内，以达到长正柱和高效率激励。压力和氙浓度的增加会导致放电效率和工作电压的增加。这些研究将有助于无汞荧光灯商业化。
致谢
这项研究是由编号10475007下中国国家科学基金会支持的部分由电子物理与器件教育部重点实验室，西安交大，中国。
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