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电光源气体小常识

作者: 发布时间:2016-11-15 浏览次数:776

 1 电光源的分类
    光源可分为自然光源和人造光源。在人造光源中,采用通电形式而发光的光源,统称为电光源。依据其电能转化为光能的不同形式,电光源又可分为以下几大类:气体放电光源、热辐射光源、固体发光光源和激光光源。其中前三种光源属非相干光源,激光光源属一种新型的相干光源。光源的研究是一门专门的技术学科,它涉及光学、原子物理、电真空和色度学等多门学科知识。
 
1.1  气体放电光源
    气体放电光源是置于气体中两电极之间放电发光的光源。由于气体放电光源的发光效率高,因此应用十分广泛。气体放电光源种类亦很多,若以灯管内充填气体的压强来分,一般可分为低压(3×104Pa以下)气体放电光源、高压(3×l04~3×105 Pa)气体放电光源和超高压(3×l05Pa以上)气体放电光源。
 
1.2 热辐射光源
    热辐射光源是利用物体的热辐射做成的一种光源。热辐射光源的发光效率低,在较好的设计和工艺条件下,真空灯泡仅60%—70%、普通充气灯泡仅8%~10%和卤钨灯约16%的能量转化为光。但由于结构简单、工艺成熟、显色性好、价格低廉及使用方便,因此仍是使用最普遍的一种光源。
 
1.3  固体发光光源
    固体发光光源与气体放电光源、热辐射光源同属非相干光源。例如场致发光屏、发光二极管等就是固体发光光源。
    场致发光的基理是一些荧光粉在电场作用下被激发而发光的。场致发光屏的光效虽然很低,但耗电少、寿命长、结构简单、使用方便可靠,被广泛用于地下室、隧道等无光区的指示照明;同时还可用于像增强器、像反转器及平板电视等。
    发光二极管又称半导体灯,它是由一个P型半导体和N型半导体组合而成的二极管。发光二极管光效虽然较低,但体积小、电源简单、耗电少且寿命长,因此被广泛用于信号灯、显示光源和光通讯等领域。
 
1.4 激光光源
    激光器作为一种新型光源,它是利用受激发射原理和激光腔的滤波放大效应,使其所发光波具有光束发散角小(其发散角小到0.1毫弧左右),方向性或准确性好;单色性好;光束亮度高等优点。
 
2  常用气体放电光源
    常用气体放电光源种类繁多,一般常见的有低压气体放电光源和高气压气体放电光源两大类:
2.1  气体放电光源的基本原理
2.1.1  气体放电与电子发射
    气体放电是指电流通过气体介质时的放电现象。气体放电的种类很多,在光源中用得较多的是辉光放电和弧光放电两类。
    1.正离子轰击发射:正离子轰击发射是辉光放电阴极的主要发射形式。对于这种发射,阴极完全不需要加热,所以,又称为冷阴极发射。
    2.热电子发射:阴极被通电加热时,其中的电子平均速度增加,随着阴极温度的升高,越来越多的电子得到足够的速度从阴极逸出,使发射电子增加。热电子发射是弧光放电最主要的一种发射形式。后面将介绍高压汞灯、氙灯、钠灯以及金属卤化灯等,其阴极发射都采用这种形式。
 
2.1.2气体的辐射
    阴极发射的电子在到达阳极之前,要与气体原子发生复杂的相互作用,引起电离和激发。与热辐射光源相比,气体放电光源具有以下显著优点:
 
1.它不象热辐射光源那样受灯丝熔点的限制,因此可以获得很高温度;
2.辐射光谱可以选择,只要选择适当的发光材料;
3.发光效率远比热辐射光源的高;
4.寿命长,在寿命期内光输出的稳定性能很好。
 
2.2  常用气体放电光源及其应用
    气体放电光源,一般来说可分为低气压放电光源和高气压气体放电光源两大类。气体放电灯内的气体压力的大小对光源的特性影响较大,它不仅影响光源的光色,同时也影响光源的发光效率。
 
2.2.1  低气压气体放电光源
    低气压气体放电光源主要有低压钠灯和低压汞灯,而碳弧是一种特殊的气体放电光源。
    1.低压汞灯:低压汞灯又有两种类型:一种是冷阴极辉光放电型,主要用作紫外光源,在医药工业和食品制造业中作为杀菌消毒之用,或者用于荧光分析和光化学反应等科学研究之中。另一种则是热阴极弧光放电型,通常所用的荧光灯就是热阴极弧光放电型低压汞灯。
    2.低压钠灯:低压钠灯发光效率较高。小功率的低压钠灯( GP20Na)主要用于光谱仪器中,可作为偏振光仪、旋光仪和折光计等光学仪器中的单色光源。45W以上的钠灯主要用作照明灯或信号灯。
    3.其它低气压气体放电光源:常用的氢灯、氪灯、氢弧灯、原子光谱灯和汞齐灯等属于低气压气体放电兆源,它们可作为许多光学仪器(如干涉仪、折射仪等)配套使用的光源。
    4.碳弧:碳弧光源可分为普通碳弧、火焰碳弧和高强度碳弧三种。高强度碳弧和普通碳弧一般都是直流供电,而火焰碳弧则可工作于直流,又可工作于交流。碳弧光源是一种典型的开放式电弧。
 
2.2.2高气压气体放电光源
    常用的高气压气体放电光源有高压汞灯、超高压汞灯、金属卤化灯、高压钠灯和脉冲氙灯等。在现代光电子技术中脉冲氙灯可作为固体激光器的“光泵”。
 
    1.高压汞灯:高压汞灯的汞蒸气压约为l~5atm(注:1大气压~101. 33 kPa)。它具有高的发光效率,能发出强的紫外线;它不仅可做照明,还可用于晒图、保健日光浴治疗、橡胶及塑料的老化试验、荧光分析以及紫外线探伤等领域。
    2.超高压汞灯:超高压汞灯的汞蒸气压大于10~ 20个大气压,它的光谱分布类似于高压汞灯,同时超高压汞灯具有连续辐射谱线的特点。
    3.高压钠灯:高压钠灯的光效接近低压钠灯,但光色比低压钠灯好,同时它的体积小、功率密度较高、有较高的亮度且紫外辐射少,很适用于需要高亮度、高效率的场所使用,如城市街道照明等。
    4.金属卤化灯:金属卤化灯是在高压汞灯中
加入某种金属的卤化物(主要是金属的碘他物——碘化铊、碘化镝、碘化汞、碘化钠、碘化铟等)而制成的。其中铊灯、镝灯、铟铊灯等属于金属卤化物灯。由于此类灯的发光效率高、光色好,因此广泛用于广场、车站、码头、街道和水下照明等光源。
    5.脉冲氙灯:脉冲氙灯的光谱特性及分布近似于日光,它具有从毫微秒数量级( 10-9~10-2S)的闪光持续时间。脉冲氙灯在高速摄影、航空照相、频闪观察仪器、光学仪器、激光武器等领域得到广泛应用。
 
3  电光源常用气体
3.1  电光源用气体及其作用
    电光源用的主要气体是氩、氦、氖、氪、氙、氮、灯氩、碘甲烷、二溴甲烷、溴甲烷、三氟化氮等。它们常常被用来控制各种各样的物理和化学过程,在某些场合,还利用气体本身的特殊性能来产生光。
 
    在气体放电灯内,主要用的是氩、氦、氖和氙等,它们的作用是帮助放电启动和在主放电区承担缓冲气体的角色。诸如减少由双极性扩散而引起的向管壁移动的离子损失;控制电子的迁移率和电导率;使在较低的触发电压下放电容易击穿;减少电极的溅射和蒸发,从而延长了电极的寿命;在荧光灯中,保护了荧光粉,使之免受汞离子的轰击。
    氩气在电光源方向的应用已有八十多年的历史。由于氩分子量比氮大,有助于降低发光钨丝的升华速率,因此可以延长钨丝的使用寿命。同时氩的低热导率降低了热损失,从而改善了电效率。氩气除了用于充填各种照明灯外,还可用于充填某些光电管等。
    氦族气体(氦、氖、氩、氪、氙)已广泛用于现代光源和激光技术。
    氮分子具有遏止灯内带有不同电位的组件之间形成破坏性电弧的能力;另外为了避免灯结构材科的氧化和腐蚀,必须使灯内的工作环境由惰性气体组成,所以灯泡的填充气体一般是氮或氮一氩和氪一氮等组成的混合气体。
    在卤钨灯内,活性气体碘化氢、溴化氢、溴甲烷、三氟化氮等被用于产生钨的输运循环,该循环防止钨聚集在泡壳的内表面,促使蒸发出来的金属分子又返回到钨丝上。
 
3.2有害气体对电光源的影响
    由于灯的工作温度很高,在高温下很多灯用材料的化学活性会大大地增强,为了防止灯材料因氧化和腐蚀而严重损坏,必须避免氧化和腐蚀现象的发生,因而对电光源用气体的纯度和其中有害杂质需加以严格的控制。这类有害杂质气体一般包括氧、氢、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物和水分等。
    上述这些有害气体是相当普遍的沾污剂,可以通过抽真空处理的方法,尽可能地减少它的危害;也可以在灯具封口后,通过消气剂(如磷、钡、镁、钼、钛、铌、锆等)的吸收、吸附作用和化学反应来消除灯内的残存有害气体。在大多数灯的填充气体中,这类有害气体含量只允许控制在百万分之几(10-6数量级)以内,例如氧和水的含量应小于2×10-6
 
4  电光源混合气的常用品种、规格及典型组成
    电光源混合气主要用作白炽灯、特种光源灯(如红外线灯、强烈溢光灯、荧光灯、发光信号、大阳灯、臭氧灯、光化学灯、灭菌灯、紫外线灯、辉光灯、锆弧光灯、卤素气体照明灯等)和数字显示管的充填气体,其品种依其特征组分划分,一般可分为稀有气体混合物、卤素化合物混合气、放射性气体混合物和灯泡氩混合气体四种。为了延长灯具的寿命,制备电光源混合气用的单元纯气体,其纯度要求一般均应大于99. 99%.并应严格控制氧化类杂质组分的含量。通常,水和氧的含量应分别小于2×10-6。几乎所有电光源混合气中都要用到氦族气体。

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