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氙氣Xe-氪氣-Kr-鹵素氣體--電光源照明混合氣

2011-11-4 11:13:38

1 電光源的分類

光源可分為自然光源和人造光源。在人造光源中，采用通電形式而發(fā)光的光源，統(tǒng)稱為電光源。依據(jù)其電能轉化為光能的不同形式，電光源又可分為以下幾大類：氣體放電光源、熱輻射光源、固體發(fā)光光源和激光光源。其中前三種光源屬非相干光源，激光光源屬一種新型的相干光源。光源的研究是一門專門的技術學科，它涉及光學、原子物理、電真空和色度學等多門學科知識。本文重點介紹氣體放電光源及電光源用混合氣，其它幾類電光源僅作簡要介紹。

1.1 氣體放電光源

氣體放電光源是置于氣體中兩電極之間放電發(fā)光的光源。由于氣體放電光源的發(fā)光效率高，因此應用十分廣泛。氣體放電光源種類亦很多，若以燈管內充填氣體的壓強來分，一般可分為低壓(3×104Pa以下)氣體放電光源、高壓(3×l0⁴～3×10⁵ Pa)氣體放電光源和超高壓（3×l0⁵Pa以上）氣體放電光源。

1.2熱輻射光源

熱輻射光源是利用物體的熱輻射做成的一種光源。熱輻射光源的發(fā)光效率低，在較好的設計和工藝條件下，真空燈泡僅60%—70%、普通充氣燈泡僅8%~10%和鹵鎢燈約16%的能量轉化為光。但由于結構簡單、工藝成熟、顯色性好、價格低廉及使用方便，因此仍是使用最普遍的一種光源。

1.3 固體發(fā)光光源

固體發(fā)光光源與氣體放電光源、熱輻射光源同屬非相干光源。例如場致發(fā)光屏、發(fā)光二極管等就是固體發(fā)光光源。

場致發(fā)光的基理是一些熒光粉在電場作用下被激發(fā)而發(fā)光的。場致發(fā)光屏的光效雖然很低，但耗電少、壽命長、結構簡單、使用方便可靠，被廣泛用于地下室、隧道等無光區(qū)的指示照明；同時還可用于像增強器、像反轉器及平板電視等。

發(fā)光二極管又稱半導體燈，它是由一個P型半導體和N型半導體組合而成的二極管。發(fā)光二極管光效雖然較低，但體積小、電源簡單、耗電少且壽命長，因此被廣泛用于信號燈、顯示光源和光通訊等領域。

1.4激光光源

激光器作為一種新型光源，它是利用受激發(fā)射原理和激光腔的濾波放大效應，使其所發(fā)光波具有光束發(fā)散角小（其發(fā)散角小到0.1毫弧左右），方向性或準確性好；單色性好；光束亮度高等優(yōu)點。

2 常用氣體放電光源

常用氣體放電光源種類繁多，一般常見的有低壓氣體放電光源和高氣壓氣體放電光源兩大類：

2.1 氣體放電光源的基本原理

2.1.1 氣體放電與電子發(fā)射

氣體放電是指電流通過氣體介質時的放電現(xiàn)象。氣體放電的種類很多，在光源中用得較多的是輝光放電和弧光放電兩類。

1．正離子轟擊發(fā)射：正離子轟擊發(fā)射是輝光放電陰極的主要發(fā)射形式。對于這種發(fā)射，陰極完全不需要加熱，所以，又稱為冷陰極發(fā)射。

2．熱電子發(fā)射：陰極被通電加熱時，其中的電子平均速度增加，隨著陰極溫度的升高，越來越多的電子得到足夠的速度從陰極逸出，使發(fā)射電子增加。熱電子發(fā)射是弧光放電最主要的一種發(fā)射形式。后面將介紹高壓汞燈、氙燈、鈉燈以及金屬鹵化燈等，其陰極發(fā)射都采用這種形式。

2.1.2氣體的輻射

陰極發(fā)射的電子在到達陽極之前，要與氣體原子發(fā)生復雜的相互作用，引起電離和激發(fā)。與熱輻射光源相比，氣體放電光源具有以下顯著優(yōu)點：

1.它不象熱輻射光源那樣受燈絲熔點的限制，因此可以獲得很高溫度；

2．輻射光譜可以選擇，只要選擇適當?shù)陌l(fā)光材料；

3．發(fā)光效率遠比熱輻射光源的高；

4．壽命長，在壽命期內光輸出的穩(wěn)定性能很好。

2.2 常用氣體放電光源及其應用

氣體放電光源，一般來說可分為低氣壓放電光源和高氣壓氣體放電光源兩大類。氣體放電燈內的氣體壓力的大小對光源的特性影響較大，它不僅影響光源的光色，同時也影響光源的發(fā)光效率。

2.2.1 低氣壓氣體放電光源

低氣壓氣體放電光源主要有低壓鈉燈和低壓汞燈，而碳弧是一種特殊的氣體放電光源。

1．低壓汞燈：低壓汞燈又有兩種類型：一種是冷陰極輝光放電型，主要用作紫外光源，在醫(yī)藥工業(yè)和食品制造業(yè)中作為殺菌消毒之用，或者用于熒光分析和光化學反應等科學研究之中。另一種則是熱陰極弧光放電型，通常所用的熒光燈就是熱陰極弧光放電型低壓汞燈。

2．低壓鈉燈：低壓鈉燈發(fā)光效率較高。小功率的低壓鈉燈( GP20Na)主要用于光譜儀器中，可作為偏振光儀、旋光儀和折光計等光學儀器中的單色光源。45W以上的鈉燈主要用作照明燈或信號燈。

3．其它低氣壓氣體放電光源：常用的氫燈、氪燈、氫弧燈、原子光譜燈和汞齊燈等屬于低氣壓氣體放電兆源，它們可作為許多光學儀器（如干涉儀、折射儀等）配套使用的光源。

4.碳弧：碳弧光源可分為普通碳弧、火焰碳弧和高強度碳弧三種。高強度碳弧和普通碳弧一般都是直流供電，而火焰碳弧則可工作于直流，又可工作于交流。碳弧光源是一種典型的開放式電弧。

2.2.2高氣壓氣體放電光源

常用的高氣壓氣體放電光源有高壓汞燈、超高壓汞燈、金屬鹵化燈、高壓鈉燈和脈沖氙燈等。在現(xiàn)代光電子技術中脈沖氙燈可作為固體激光器的“光泵”。

1．高壓汞燈：高壓汞燈的汞蒸氣壓約為l~5atm（注：1大氣壓～101. 33 kPa）。它具有高的發(fā)光效率，能發(fā)出強的紫外線；它不僅可做照明，還可用于曬圖、保健日光浴治療、橡膠及塑料的老化試驗、熒光分析以及紫外線探傷等領域。

2．超高壓汞燈：超高壓汞燈的汞蒸氣壓大于10~ 20個大氣壓，它的光譜分布類似于高壓汞燈，同時超高壓汞燈具有連續(xù)輻射譜線的特點。

3．高壓鈉燈：高壓鈉燈的光效接近低壓鈉燈，但光色比低壓鈉燈好，同時它的體積小、功率密度較高、有較高的亮度且紫外輻射少，很適用于需要高亮度、高效率的場所使用，如城市街道照明等。

4．金屬鹵化燈：金屬鹵化燈是在高壓汞燈中

加入某種金屬的鹵化物（主要是金屬的碘他物——碘化鉈、碘化鏑、碘化汞、碘化鈉、碘化銦等）而制成的。其中鉈燈、鏑燈、銦鉈燈等屬于金屬鹵化物燈。由于此類燈的發(fā)光效率高、光色好，因此廣泛用于廣場、車站、碼頭、街道和水下照明等光源。

5．脈沖氙燈：脈沖氙燈的光譜特性及分布近似于日光，它具有從毫微秒數(shù)量級( 10^-9~10^-2S)的閃光持續(xù)時間。脈沖氙燈在高速攝影、航空照相、頻閃觀察儀器、光學儀器、激光武器等領域得到廣泛應用。

3 電光源常用氣體

3.1 電光源用氣體及其作用

電光源用的主要氣體是氬、氦、氖、氪、氙、氮、燈氬、碘甲烷、二溴甲烷、溴甲烷、三氟化氮等。它們常常被用來控制各種各樣的物理和化學過程，在某些場合，還利用氣體本身的特殊性能來產(chǎn)生光。

在氣體放電燈內，主要用的是氬、氦、氖和氙等，它們的作用是幫助放電啟動和在主放電區(qū)承擔緩沖氣體的角色。諸如減少由雙極性擴散而引起的向管壁移動的離子損失；控制電子的遷移率和電導率；使在較低的觸發(fā)電壓下放電容易擊穿；減少電極的濺射和蒸發(fā)，從而延長了電極的壽命；在熒光燈中，保護了熒光粉，使之免受汞離子的轟擊。

氬氣在電光源方向的應用已有八十多年的歷史。由于氬分子量比氮大，有助于降低發(fā)光鎢絲的升華速率，因此可以延長鎢絲的使用壽命。同時氬的低熱導率降低了熱損失，從而改善了電效率。氬氣除了用于充填各種照明燈外，還可用于充填某些光電管等。

氦族氣體（氦、氖、氬、氪、氙）已廣泛用于現(xiàn)代光源和激光技術。

氮分子具有遏止燈內帶有不同電位的組件之間形成破壞性電弧的能力；另外為了避免燈結構材科的氧化和腐蝕，必須使燈內的工作環(huán)境由惰性氣體組成，所以燈泡的填充氣體一般是氮或氮一氬和氪一氮等組成的混合氣體。

在鹵鎢燈內，活性氣體碘化氫、溴化氫、溴甲烷、三氟化氮等被用于產(chǎn)生鎢的輸運循環(huán)，該循環(huán)防止鎢聚集在泡殼的內表面，促使蒸發(fā)出來的金屬分子又返回到鎢絲上。

3.2有害氣體對電光源的影響

由于燈的工作溫度很高，在高溫下很多燈用材料的化學活性會大大地增強，為了防止燈材料因氧化和腐蝕而嚴重損壞，必須避免氧化和腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，因而對電光源用氣體的純度和其中有害雜質需加以嚴格的控制。這類有害雜質氣體一般包括氧、氫、一氧化碳、二氧化碳、碳氫化合物和水分等。

上述這些有害氣體是相當普遍的沾污劑，可以通過抽真空處理的方法，盡可能地減少它的危害；也可以在燈具封口后，通過消氣劑（如磷、鋇、鎂、鉬、鈦、鈮、鋯等）的吸收、吸附作用和化學反應來消除燈內的殘存有害氣體。在大多數(shù)燈的填充氣體中，這類有害氣體含量只允許控制在百萬分之幾（10^-6數(shù)量級）以內，例如氧和水的含量應小于2×10^-6。

4 電光源混合氣的常用品種、規(guī)格及典型組成

電光源混合氣主要用作白熾燈、特種光源燈（如紅外線燈、強烈溢光燈、熒光燈、發(fā)光信號、大陽燈、臭氧燈、光化學燈、滅菌燈、紫外線燈、輝光燈、鋯弧光燈、鹵素氣體照明燈等）和數(shù)字顯示管的充填氣體，其品種依其特征組分劃分，一般可分為稀有氣體混合物、鹵素化合物混合氣、放射性氣體混合物和燈泡氬混合氣體四種。為了延長燈具的壽命，制備電光源混合氣用的單元純氣體，其純度要求一般均應大于99. 99%．并應嚴格控制氧化類雜質組分的含量。通常，水和氧的含量應分別小于2×10^-6。幾乎所有電光源混合氣中都要用到氦族氣體。

《電光源用混合氣》

李志行（西南化工研究設計院氣體標準化所，四川成都61 0225）

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