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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(zhuǎn)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(shù)學(xué)科，它涉及光學(xué)、原子物理、電真空和色度學(xué)等多門學(xué)科知識(shí)。本文重點(diǎn)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(jiǎn)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(yīng)用十分廣泛。氣體放電光源種類亦很多，若以燈管內(nèi)充填氣體的壓強(qiáng)來(lái)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(shè)計(jì)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(zhuǎn)化為光。但由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝成熟、顯色性好、價(jià)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(chǎng)致發(fā)光屏、發(fā)光二極管等就是固體發(fā)光光源。
場(chǎng)致發(fā)光的基理是一些熒光粉在電場(chǎng)作用下被激發(fā)而發(fā)光的。場(chǎng)致發(fā)光屏的光效雖然很低，但耗電少、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便可靠，被廣泛用于地下室、隧道等無(wú)光區(qū)的指示照明；同時(shí)還可用于像增強(qiáng)器、像反轉(zhuǎn)器及平板電視等。
發(fā)光二極管又稱半導(dǎo)體燈，它是由一個(gè)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)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(jiǎn)單、耗電少且壽命長(zhǎng)，因此被廣泛用于信號(hào)燈、顯示光源和光通訊等領(lǐng)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(yīng)，使其所發(fā)光波具有光束發(fā)散角?。ㄆ浒l(fā)散角小到0.1毫弧左右），方向性或準(zhǔn)確性好；單色性好；光束亮度高等優(yōu)點(diǎn)。
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(jiàn)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
氣體放電是指電流通過(guò)氣體介質(zhì)時(shí)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(duì)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(shí)，其中的電子平均速度增加，隨著陰極溫度的升高，越來(lái)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。
陰極發(fā)射的電子在到達(dá)陽(yáng)極之前，要與氣體原子發(fā)生復(fù)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(diǎn)：
1.它不象熱輻射光源那樣受燈絲熔點(diǎn)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(dāng)?shù)陌l(fā)光材料；
3．發(fā)光效率遠(yuǎn)比熱輻射光源的高；
4．壽命長(zhǎng)，在壽命期內(nèi)光輸出的穩(wěn)定性能很好。
2.2 常用氣體放電光源及其應(yīng)用
氣體放電光源，一般來(lái)說(shuō)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(nèi)的氣體壓力的大小對(duì)光源的特性影響較大，它不僅影響光源的光色，同時(shí)也影響光源的發(fā)光效率。
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(xué)反應(yīng)等科學(xué)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(jì)等光學(xué)儀器中的單色光源。45W以上的鈉燈主要用作照明燈或信號(hào)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(xué)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(qiáng)度碳弧三種。高強(qiáng)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。
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(shù)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(qiáng)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(yàn)、熒光分析以及紫外線探傷等領(lǐng)域。
2．超高壓汞燈：超高壓汞燈的汞蒸氣壓大于10~ 20個(gè)大氣壓，它的光譜分布類似于高壓汞燈，同時(shí)超高壓汞燈具有連續(xù)輻射譜線的特點(diǎn)。
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(shí)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(chǎng)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(chǎng)、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(jí)( 10-9~10-2S)的閃光持續(xù)時(shí)間。脈沖氙燈在高速攝影、航空照相、頻閃觀察儀器、光學(xué)儀器、激光武器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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?dú)怏w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(lái)控制各種各樣的物理和化學(xué)過(guò)程，在某些場(chǎng)合，還利用氣體本身的特殊性能來(lái)產(chǎn)生光。
在氣體放電燈內(nèi)，主要用的是氬、氦、氖和氙等，它們的作用是幫助放電啟動(dòng)和在主放電區(qū)承擔(dān)緩沖氣體的角色。諸如減少由雙極性擴(kuò)散而引起的向管壁移動(dòng)的離子損失；控制電子的遷移率和電導(dǎo)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(zhǎng)了電極的壽命；在熒光燈中，保護(hù)了熒光粉，使之免受汞離子的轟擊。
氬氣在電光源方向的應(yīng)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(zhǎng)鎢絲的使用壽命。同時(shí)氬的低熱導(dǎo)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(shù)。
氮分子具有遏止燈內(nèi)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(jié)構(gòu)材科的氧化和腐蝕，必須使燈內(nèi)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(nèi)，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(yùn)循環(huán)，該循環(huán)防止鎢聚集在泡殼的內(nèi)表面，促使蒸發(fā)出來(lái)的金屬分子又返回到鎢絲上。
3.2有害氣體對(duì)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(xué)活性會(huì)大大地增強(qiáng)，為了防止燈材料因氧化和腐蝕而嚴(yán)重?fù)p壞，必須避免氧化和腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，因而對(duì)電光源用氣體的純度和其中有害雜質(zhì)需加以嚴(yán)格的控制。這類有害雜質(zhì)氣體一般包括氧、氫、一氧化碳、二氧化碳、碳?xì)浠衔锖退值取?/span>
上述這些有害氣體是相當(dāng)普遍的沾污劑，可以通過(guò)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(guò)消氣劑（如磷、鋇、鎂、鉬、鈦、鈮、鋯等）的吸收、吸附作用和化學(xué)反應(yīng)來(lái)消除燈內(nèi)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(wàn)分之幾（10-6數(shù)量級(jí)）以內(nèi)，例如氧和水的含量應(yīng)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(qiáng)烈溢光燈、熒光燈、發(fā)光信號(hào)、大陽(yáng)燈、臭氧燈、光化學(xué)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(zhǎng)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(yīng)大于99. 99%．并應(yīng)嚴(yán)格控制氧化類雜質(zhì)組分的含量。通常，水和氧的含量應(yīng)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(shè)計(jì)院氣體標(biāo)準(zhǔn)化所，四川成都61 0225）
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