热辐射光源与气体放电光源

3.4.1 热辐射光源

任何物体只要其温度大于热力学零度，就会向外界辐射能量，其辐射特性与温度有关。物体靠加热保持一定温度，内能不变而持续辐射能量的形式称为热辐射。热辐射光源是一种非相干的光源，发光物体在热平衡状态下，将热能转变为光能即成为热辐射光源。热辐射光源有以下几个特点：

①它们的发光特性都可以利用普朗克公式进行精确的估算，即可以精确掌握和控制它们的发光或辐射性质；

②它们发出的光构成连续的光谱，且光谱范围很宽，因此使用的适应性强，但在通常情况下，紫外辐射含量很少，这又限制了这类光源的使用范围；

③采用适当的稳压或稳流供电，可使这类光源获得很高的稳定度。

热辐射光源除了用于照明或在各种光学和光电探测系统中充当一般光源外，还可用做光度或辐射度测量中的标准光源或标准辐射源，这时它们的作用是完成计量工作中的标准光度量或辐射度量的量值的传递。

1.黑体模拟器

在军用红外光电信息技术和光电系统中，往往需要这样一种辐射源：它的角度特性和光谱特性酷似理想黑体的特性。这种辐射源常称为黑体模拟器。

图3－17是一种黑体模拟器的结构示意图。圆柱体状的内芯是用热传导性能优良、表面耐氧化的材料制成的，如黄铜或不锈钢。其内空腔可以是锥状、圆柱状或者圆柱－锥状，空腔内表面也可以选择一种热稳定性及吸收特性优良的材料。内芯外面覆一层石棉、云母等绝缘层，再在外面绕电热丝（如镍铬丝），并在其上通以可精确监控的电流，保证腔体温度的准确调节和分布的均匀性，由电热丝外面的绝缘层隔绝黑体温控腔与外界环境的热对流。在内芯里还埋设了一个或数个热电元件，作为测温和控温的传感器。黑体总辐射出射度和它的温度的四次方成正比，因此，对实际工作温度的精确测量和控制是黑体能产生已知且稳定的辐射的关键。黑体的前部为一小孔，表面抛光的小孔板和内腔构成了黑体腔的雏形，使这种黑体模拟器的发射率达0.95～0.999。

图3－17 黑体模拟器的结构

目前的黑体模拟器最高工作温度为3 000K，而实际应用时大多是在2 000K以下。温度过高时不仅要消耗大量的电功率，而且会使内腔表面材料的氧化加剧。

2.白炽灯

白炽灯是工程照明和光电测量中最常用的光源之一。白炽灯发射的是连续光谱，在可见光谱段中部，其辐射能量密度和黑体辐射曲线相差约0.5％，而在整个光谱段内，则和黑体辐射曲线平均相差2％。此外，白炽灯使用和量值复现方便，它的发光特性稳定，寿命长，因而也广泛用做各种辐射度量和光度量的标准光源。

白炽灯有真空钨丝白炽灯、充气钨丝白炽灯和卤钨灯等。光辐射由钨丝经通电加热后发出。真空钨丝白炽灯的工作温度为2 300K～2 800K，光效约为10lm／W。由于钨的熔点约为3 680K，进一步增加钨的工作温度会导致钨的蒸发率急剧上升，从而使灯的寿命骤减。

充气钨丝白炽灯由于在灯泡中充入和钨不发生化学反应的氩、氮等惰性气体，由钨丝蒸发出来的钨原子在和惰性气体原子碰撞时，部分钨原子能返回灯丝，这样可有效地抑制钨的蒸发，从而使白炽灯的工作温度提高到2 700K～3 000K，光效相应提高到17lm／W。

如果在灯泡内充入卤钨循环剂（如氯化碘、溴化硼等），在一定温度下可以形成卤钨循环，即蒸发的钨和玻璃壳附近的卤素合成卤钨化合物，而该卤钨化合物扩散到温度较高的灯丝周围时，又分解成卤素和钨。这样，钨就重新沉积在灯丝上，而卤素扩散到温度较低的泡壁区域再继续与钨化合。这一过程称为钨的再生循环。为了使玻壳区的卤钨化合物呈气态，而不至于凝结在它上面，玻壳温度不能太低，如碘钨灯的管壁温度应高于250℃。但管壁温度也不能太高，否则卤钨化合物就要部分分解，造成泡壳发黑。卤钨循环进一步提高了灯的寿命，灯的色温可达3 200K，光效率也相应提高到30lm／W。

图3－18所示为用于光度量计量的几种标准灯。

图3－18 几种标准灯的外形

图3－18（a）所示为BDQ型发光强度标准灯，用来传递和复现发光强度单位（cd）的量值。发光强度标准灯是通过精确控制流过灯丝的直流电流，复现在规定的色温下和在灯丝平面中心的法线方向上的发光强度。它要求灯丝的结构为一平面形，每根灯丝都要均匀地排列并支挂在一个平面上。同时，为了使灯丝成为发光强度标准灯的唯一发光体，应使玻壳的反射中心与灯丝重叠。图3－18（b）所示为BDT型光通量标准灯，用来传递和复现光通量。光通量标准灯的灯丝是旋转对称的，使电压与灯参数的变化曲线（即光分布）在各旋转方向尽可能一致。图3－18（c）所示为BW型温度标准灯，它的发光体是一条狭长的钨带，当通以电流时，钨带炽热发光。由于钨带两端与电极相连，钨带上各区域色温不均匀，因此一般取中心的1／3区域作为标准发光区。温度标准灯主要用在800℃～2 500℃范围内，复现和检定光学高温计及某些以光电高温计作为标准的温度源，也可以代替能量标准灯使用。

3.4.2 气体放电光源

利用气体放电原理制成的光源称为气体放电光源。制作时在灯中充入发光用的气体，如氦、氖、氙、氪或金属蒸气，如汞、钠、铊等，这些元素的原子在电场作用下电离出电子和正离子。正离子向阴极、电子向阳极运动时被电场加速，当它们与气体原子或分子高速碰撞时会被激励而放出新的电子和正离子。在碰撞过程中有些电子会跃迁到高能级，引起原子的激发。受激原子回到低能级时会发射出相应的辐射。这样的发光机制称为气体放电。

气体放电光源具有以下特点：

①发光效率高，比同功率的白炽灯发光效率高2～10倍，因此具有节能的特点；

②由于不靠灯丝本身发光，电极可以做得牢固紧凑，耐震、抗冲击；

③寿命长，一般比白炽灯寿命长2～10倍；

④光色适应性强，可在很大范围内变化。

由于上述特点，气体放电光源具有很强的竞争力，在光电检测和照明中得到广泛应用。气体放电光源可分为开放式气体放电光源和封闭式电弧放电光源两种。

1.开放式气体放电光源

这类光源是将两电极直接置于大气中，通过极间放电而发光，所以称为开放式光源。

1）直流电弧

它采用碳或金属作为工作电极，在外加直流电源供电下工作，点燃时需先将两电极短暂接触，然后松开而随之起弧。电弧的炽热阴极发射电子，电子在两电极间的电场作用下加速，并与极间气体原子和分子碰撞，使它们电离。所有这些带电粒子又被加速，再碰撞其他气体原子和分子，从而形成电弧等离子体，由于其温度甚高而发出光辐射。

直流电弧中有两个光辐射区：极间等离子体的辐射和炽热电极的辐射。炽热电极的辐射光谱是连续的。采用纯碳电极时，其辐射光谱可由0.23μm延伸到远红外区。在等离子体中产生受激原子或离子的线状光谱，其光谱范围由可见光向短波区延伸，直到大气吸收限0.184 μm为止。

等离子体电弧发出的线状光谱是由空气中各气体成分和杂质决定的。为了丰富电弧的线状光谱，改善照明或工作特性，可在正电极的碳棒中加入适量的稀土金属（如铈、钐、镧等）的氟化物。

当采用金属作为电极时，电弧可以很好地激发电极所含元素的谱线，从而可用于对材料成分的光谱分析。直流电弧的稳定性差，必要时需采取稳定措施。

2）高压电容火花

这是利用高压在两电极间产生火花放电，其原理如图3－19所示。在低压交流供电电路中接入0.5kW～1kW功率的变压器T，将电压升高到1×104V～1.2×104V，在变压器的次级电路中，接入与火花隙F并联的电容C，其值为0.001 μF～0.01μF。有时还串入电感L，其值为0.01mH～1mH，或利用导线本身的自感。

图3－19 高压电容火花

当极间电压升到某临界值时，F处产生击穿，电流在极间产生火花使电容放电。由于电感的作用，电容器反复充电和放电，形成振荡的形式。两电极间相互反复放电产生往返的火花。

高压电容火花的工作比直流电弧要稳定得多。为进一步提高其稳定性，可在火花隙间并联电阻R′和电感L′。

火花光谱为线状光谱，主要是由激发离子引起的，所以其辐射虽有电极元素的发光，但主要是大气元素的发光。该光源可用于研究吸收或发射光谱的分光光度计。

3）高压交流电弧

高压交流电弧的电路原理如图3－20所示。当次级回路电压升到2kV～3kV、串联电阻为2kΩ～3kΩ时，在两电极间将产生交流电弧。当然，实际电路要复杂得多。这种电弧的好处在于：只要适当选择电路相关参数，很容易使其发光，或以弧线光谱为主，或以火花线光谱为主。这一特性对发射光谱的分析有着很重要的意义。

图3－20 高压交流电弧电路原理

4）炭弧

炭弧主要用于照明，其按发光类型不同又可分为普通炭弧、火焰炭弧和高强度炭弧。它们一般都采用直流供电，只有火焰炭弧可以交流供电。

由于放电时阳极剧烈发热引起炭的蒸发，在阳极中心形成稳定的喷火口。如在炭弧电极中加入钙、钡、铁、镉等金属化合物，将增大发光强度。这时的发光主要不是炭电极的喷火口，而是金属蒸气电离发光，占总量的70％～90％。这时炭弧就像火焰那样，所以称为火焰炭弧。它的主要优点是在加入不同元素时，可以获得所需光谱辐射的输出。

2.气体灯

气体灯是将电极间的放电过程密封在泡壳中进行的，所以又称为封闭式电弧放电光源。

气体灯的特点是辐射稳定，功率大，且发光效率高。因此，在照明、光度学和光谱学中都起着很重要的作用。

气体灯是在封闭泡壳内的某种气体或金属蒸气中发生封闭式电弧放电。这里主要不是金属电极的辐射，而是电弧等离子体本身的辐射，所以气体灯的电极常用难熔金属材料制成。气体灯中除弧光放电灯外，也有利用辉光放电或辉光与弧光中间形式光放电的光源。

辉光放电的原理为：管内总有一些带电粒子，它们在电场作用下向相应电极运动并加速；被加速的粒子撞击管内气体分子使其电离，从而增加了管内自由电荷，其中一部分到达并撞击电极，从电极打出足以激发气体发光的一次电子，而另一部分则在运行途中与气体分子相撞，或者将它们电离，或者使它们激发发光，从而形成辉光放电。

气体灯的种类繁多，灯内可充以不同的气体，如氩、氖、氢、氦、氙等气体，或金属蒸气，如汞、钠、金属卤化物等，从而形成不同放电介质的多种灯源。气体灯内充有同种材料时，由于结构不同又可有多种，如汞灯就可分为以下三种：

①低压汞灯，管内气压低于0.8Pa，它又可分为冷阴极辉光放电型和热阴极弧光放电型两类；

②高压汞灯，管内气压为1atm～5atm（1atm＝101 325Pa），其发光效率可达40lm／W～50lm／W；

③超高压汞灯，管内气压可达10atm～200atm。

又如，氖灯有长弧氖灯和短弧氖灯之分，它们都有自己的发光效率、发光强度、光谱特性、启动电路及具体结构等。下面介绍几种较为特殊的气体灯。

1）脉冲灯

脉冲灯的特点是能在极短的时间内发出很强的光辐射，其工作电路原理如图3－21所示。直流电源电压经充电电阻R，使储能电容C充电到工作电压Uc。Uc一般低于脉冲灯的击穿电压Ub，而高于灯的着火电压Uz。脉冲灯的灯管外绕有触发丝。工作时在触发丝上施加高的脉冲电压，使灯管内产生电离火花线，火花线大大减小了灯的内阻，使灯“着火”。电容C中储存的大量能量可在极短的时间内通过脉冲灯，产生极强的闪光。脉冲灯是除激光器外最亮的光源。

图3－21 脉冲灯工作电路原理

由于这种灯的亮度高，所以被广泛用做摄影光源、激光器的光泵和印刷制版的光源等。例如，照相用的万次闪光灯就是一种脉冲氖灯，它的色温与日光接近，适于用做彩色摄影的光源。

在固体激光装置中，常把脉冲氙灯用做泵浦光源。这时的氙灯有直管形和螺旋形两种，发光时能量可达几千焦耳，而闪光时间只有几毫秒，可见有很大的瞬时功率。

2）燃烧式闪光泡

这种灯泡只能使用一次，所以又称为单次闪光泡，它的特点是瞬时发光强度大、耗电少、体积小、携带方便等。

闪光泡的结构及电路原理如图3－22所示。点燃前用3V～15V的直流电流经电阻R和闪光泡内的钨丝给电容C充电。需要点燃闪光泡时，将开关S闭合，电容C迅速通过钨丝放电，其放电电流很大，使钨丝升温并很快达到炽热状态。在钨丝发出的高温和引燃剂的同时作用下，泡内锆丝在氧气中剧烈燃烧，放出大量能量，把由锆和氧燃烧时产生的二氧化锆加热到白炽状态，从而使闪光泡产生耀眼的强光。

图3－22 闪光泡的结构及电路原理

图3－23 原子光谱灯结构

3）原子光谱灯

原子光谱灯又称空心阴极灯，其结构如图3－23所示。圆筒形阴极封在玻壳内，玻壳上部有一个透明的石英窗。工作时窗口透射出放电辉光，其光谱主要是阴极金属的原子光谱。空心阴极放电的电流密度可比正常辉光高100倍以上，而电流虽大，但温度不高，因此发光的谱线不仅强度大，而且光谱带宽很小。如金属钙的原子光谱波长为4 226.7Å（1Å＝10－10m）时，光谱带宽为3.3Å左右，同时它输出的光稳定。原子光谱灯可制成单元素型或多元素型，加之填充的气体不同，这种灯的品种很多。

原子光谱灯的主要作用是引出标准谱线的光束、确定标准谱线的分光位置，以及确定吸收光谱中的特征波长等。它主要用在元素（特别是微量元素）光谱分析装置中。