F5170 Úvod do fyziky plazmatu: Lenka Zajíčková 1 /19 F5170 Úvod do fyziky plazmatu Lenka Zajíčková Faculty of Science & CEITEC, Masaryk University, Brno lenkaz@physics.muni.cz Demonstration Experiments fall semester 2014 ďJOLJOli-k »• II II Central European Institute of Technology BRNO I CZECH REPUBLIC F5170 Úvod do fyziky plazmatu: Gas-discharge lamps Lenka Zajíčková 2/19 A most obvious outcome of the plasma is its light emission Light sources represent one of the applications of plasma. 400 500 GOO 700 wavelength (nrn) Fig. l.Ifl (a) The spectrum of an incandescent lamp is represented by black-body radiation aL T = 3€00 K, The shaded rectangle marks the visible spectral ran^c, (b) The spectrum of a fluorescent tuhe with a modem tri-phosphnr coating (solid line) in comparison with the eye-sensitivity curve V(a) (dashed Viae), {c} Compact fluorescent lamp A. Piel, Plasma Physics: An Introduction to Laboratory, Space, and Fusion Plasmas, Springer 2010 Lenka Zajíčková How is the plasma generated for this application? - by in which a I enough electric field is applied to accelerate electrons and consequently produce electron-ion pairs => There are fast electrons in plasma that can excite atoms or molecules to higher energetic states. The life-time of most excitated states is very short (10 -1000 ns) and electrons de-excite by De-excitation. The collisional processes are relatively simple in because these elements do not 1 He, Ar, Ne ...) F5170 Úvod do fyziky plazmatu: G as-discharge lamps En E/2 Zajímavost H 13.6 eV nema tvoří skoro 75% hmoty ve vesmíru He 24.6 eV 54.4 eV supratekuté pro magnety, tvoří skoro 25% hmoty ve vesmíru N 14.5 eV 29.6 eV tvoří hlavní složku zemské atmosféry Ne 21.6 eV 40.9 eV jméno vymyslel 10letý syn fyzika Williama Ramsaye Ar 15.8 eV 27.6 eV své jméno získal z řeckého "argos" - líný Kde 1 eV sa 96, 485 k J • mol-1 F5170 Úvod do fyziky plazmatu: Gas-discharge lamps Lenka Zajíčková 5/19 Processes in plasma are more complex if molecular gas is present: electron impact dissociation => mixture of components, loss of electron energy, chemistry excitation of vibrational and rotational levels x Fig. 4. Vibrational and rotational energy levels. Gas-discharge lamps Gas-discharqe lamps: liqht sources Lenka Zajíčková Typically, lamps use a noble gas (argon, neon, krypton and xenon) or a mixture of these gases. Most lamps are filled with additional materials, like mercury, sodium, and metal halides. The type of the gas-discharge lamp depends on the type of the discharge: low-pressure discharges in fluorescent tubes for office and domestic lighting electric arcs in high-pressure lamps for street lights or data projectors F5170 Úvod do fyziky plazmatu: Gas-discharge lamps Lenka Zajíčková 7/19 The enormous energy saving of plasma-based lighting stems from the efficient use of radiation within the range of spectral sensitivity of human eye: Table 1*4 Comparison uf the efficacy and colour rendering index (CRI) of various light sources Lamp 1 ype lm/W CRI Source General-purpose incandescent lamp MS 100 a Low.vo]tag.c halogen 12-19 ioq a Halogen with interna] rellective coaling 17-24 (00 li Compact fluorescent lamp (stick) 46-61 x: a Compact fluorescent lamp (spiral) 60-67 82 LI Light emitting diodes (warm tone) 66 00 b Lighl emitting diodes (cool) 105 70 b TS tube with electronic ballast 80 10« 80-89 c High-pressure mercury lamp 2S-S0 d High-pressure sodium lamp 90-135 15-25 d Ceramic metal halide lamp 65-115 ■in 1> "Jacob 127], ^Philips data sheet, 'Ostáni datasheet, ■'Report [28] A. Piel, Plasma Physics: An Introduction to Laboratory, Space, and Fusion Plasmas, Springer 2010 F5170 Úvod do fyziky plazmatu: G as-discharge lamps Lenka Zajíčková "•outnavý výboj (glow discharge) Aston Dark Negative Space Glow (AD) v (NG) Faraday Space (FS) Cathode Cathode Glow 1 Cathode Dark Space Positive Column (PC) Anode Anode Dark Glow Space (AG) .(AD) F5170 Úvod do fyziky plazmatu: G as-discharge lamps w discha F5170 Úvod do fyziky plazmatu: G as-discharge lamps Lenka Zajíčková 10/19 F5170 Úvod do fyziky plazmatu: G as-discharge lamps Lenka Zajíčková 11 /19 Od obloukového se liší krátkou dobou trvání. Intenzita elektrického pole mezi elektrodami dosáhne hodnoty potřebné pro lavinovitou ionizaci, ale zdroj tohoto pole není schopen trvale dodávat elektrický proud. Přeskok jiskry je doprovázen vznikem zvukové vlny. ► Dielektrická pevnost vzduchu je 30kVcm_1. F5170 Úvod do fyziky plazmatu: G as-discharge lamps Lenka Zajíčková 12/19 F5170 Úvod do fyziky plazmatu: G as-discharge lamps Lenka Zajíčková 15/19 http://fusedweb.pppl.gov/CPEP/Chart_Pages/5.Plasmas/Lightning.html F5170 Úvod do fyziky plazmatu: G as-discharge lamps Lenka Zajíčková 16/19 Kladný a záporný blesk zatím nebylo s jistotou zjištěno, jak se kladný/záporný náboj v mracích indukuje v přírodě je 95% všech blesků záporných (oblak má záporný potenciál, země kladný) kladné blesky se většinou šíří mnoho kilometrů po obloze, často pak uhodí jako blesk z čistého nebe kladné blesky se častěji vyskytují v zimě kladné blesky jsou nebezpečnější než záporné blesky (např. současná letadla odolají zápornému blesku, ale nikoliv kladnému) Manuální spouštění blesků z bezpečnostních důvodů někdy vhodné blesku pomoci, aby uhodil kdy chceme nebo kam chceme lze pomocí malé rakety nebo laseru, v přírodě může blesk vybudit silná vulkanická erupce (Pompeje, 79 n.l.) velmi výkonným laserem se podařilo vyvolat malé blesky i z nenabitého mraku F5170 Úvod do fyziky plazmatu: G as-discharge lamps Lenka Zajíčková 17/19 Blesk spuštěný výbuchem sopky Mt. Rinjani v roce 1994 (autor Oliver Spalt) Gliding arc discharges as a source of intermediate pi. for methane partial oxidation. Kalra, C.S., Gutsol, A.F. and Fridman, A.A., Plasma Science, 2005