气体放电光源

第三节　气体放电光源

一、气体放电

闪电

干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在高速运动自由带电粒子时，气体原子的外层电子被高速运动的自由电子撞击而发生能级跃迁，跃迁的电子会很快回到原来的低能量轨道，能量之差便会以电磁辐射的形式发射出去，这个现象称为气体放电。电磁辐射的波长取决于气体原子的类型和气压大小，其波长可能介于光谱的红外线、可见光或紫外线区域，相应地可能会发热、发出可见光或紫外线辐射。闪电就是一种天然的气体放电现象，通过气体放电可以获得比化学燃烧更多的光亮。

二、气体放电光源

气体放电光源根据光源中气体的压力，可分为低压气体放电光源和高压气体放电光源。

低压气体放电光源中的气体压力较低，组成气体的原子距离比较大，互相影响较小，因此它们的光辐射可以看做是孤立的原子产生的辐射，这种原子辐射产生的电磁辐射是以线光谱形式出现的。如荧光灯（低压汞灯）、低压钠灯、无极灯。

高压气体放电光源的特点是灯中气压高，原子之间的距离近，相互影响大，电子在轰击气体原子时不能直接与一个原子作用，从而影响了原子的辐射。即使在轰击原子时产生了电磁辐射，又有可能被其他原子吸收，形成另外的电磁辐射。因此这类辐射与低压气体放电光源有较大的区别。但高压气体放电光源的辐射原理仍是气体（或汽体）中原子辐射产生光辐射，产生的辐射将包括强的线光谱成分和弱的连续光谱成分。高压气体放电光源主要有：荧光高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯等。

三、荧光灯与无极荧光灯

荧光灯是使用最广泛、用量最大的低压气体放电光源。它具有结构简单、光效高、发光柔和、寿命长等优点。荧光灯的发光效率是白炽灯的4～5倍，寿命是白炽灯的3～8倍。

荧光灯内装有两个灯丝，灯丝上涂有电子发射材料（碳酸钡、碳酸锶和碳酸钙），俗称电子粉。在交流电压作用下，灯丝交替地作为阴极和阳极。灯管内壁涂有荧光粉，管内充有400～500帕压力的氩气和少量的汞。通电后，液态汞蒸发成压力为0.8帕的汞蒸气。在电场作用下，汞原子不断从原始状态被激发成激发态，继而自发跃迁到基态，并辐射出波长253.7纳米和185纳米的紫外线（主峰值波长是253.7纳米，约占全部辐射能的70％～80％；次峰值波长是185纳米，约占全部辐射能的10％），以释放多余的能量。荧光粉吸收紫外线的辐射能后发出可见光。荧光粉不同，发出的光颜色也不同，这就是荧光灯可做成白色和各种彩色的缘由。由于荧光灯所消耗的电能大部分用于产生紫外线，因此，荧光灯的发光效率远比白炽灯和卤钨灯高，是目前节能的电光源。

荧光灯

无极荧光灯取消了传统荧光灯的灯丝和电极，利用电磁耦合的原理，使汞原子从原始状态激发成激发态，其发光原理和荧光灯相似，是现今最新型的节能光源，有寿命长、光效高、显色性好等优点。

四、钠　灯

钠灯是利用钠蒸气放电产生可见光的电光源，又分低压钠灯和高压钠灯。低压钠灯的工作蒸气压不超过几个帕，高压钠灯的工作蒸气压大于0.01兆帕。

钠灯

当钠灯启动后，电弧管两端电极之间产生电弧，由于电弧的高温作用使灯管内的钠、汞一起受热蒸发成为汞蒸气和钠蒸气，阴极发射的电子在向阳极运动过程中，撞击放电物质原子，使其获得能量产生电离激发，然后由激发态回复到基态；或由电离态变为激发态，再回到基态无限循环，多余的能量以光辐射的形式释放，便产生了光。低压钠灯的放电辐射集中在589纳米和589.6纳米的两条谱线上，它们非常接近人眼视觉曲线的最高值（555纳米），故其发光效率极高。高压钠灯中放电物质蒸气压很高，即钠原子密度高，电子与钠原子之间碰撞次数频繁，使共振辐射谱线加宽，出现其他可见光谱的辐射，因此高压钠灯的光色优于低压钠灯。

五、金属卤化物灯

金属卤化物灯是目前世界上最优秀的电光源之一，它将汞、惰性气体和一种以上的金属卤化物充入电弧管内，利用金属原子电离激发发光的电光源。工作时，汞蒸发，电弧管内汞蒸气压达零点几个兆帕；卤化物也从管壁上蒸发，扩散进入高温电弧柱内分解，金属原子被电离激发，辐射出特征谱线。当金属离子扩散返回管壁时，在靠近管壁的较冷区域中与卤原子相遇，并且重新结合生成卤化物分子。这种循环过程不断地向电弧提供金属蒸气。电弧轴心处的金属蒸气分压与管壁处卤化物蒸气的分压相近，一般为1330～13300帕。通常采用的金属平均激发电位为4电子伏左右，而汞的激发电位为7.8电子伏。金属光谱的总辐射功率可以大幅度超过汞的辐射功率，结果，典型的金属卤化物灯输出的谱线主要是金属光谱。充填不同种金属卤化物可改善灯的显色性，汞电弧总辐射中仅有23％在可见光区域内，而金属卤化物电弧的总辐射则有50％以上在可见光区域内，极大地提高了发光效率。