气体放电灯 Gas discharge lamps

2022-11-22 10:28:22 浏览:303

定义

基于电离气体或金属蒸气中的放电的光源。

气体放电灯是基于电离气体或金属蒸气中的放电的光源。 其中一些已经从 19 的下半年开始使用千世纪过去了,而其他人则是在很久以后发明的。 近几十年来,该技术在某些领域得到了进一步发展。 现在有非常广泛的放电灯可供选择,输出功率和脉冲持续时间等基本参数变化了几个数量级。

基本操作原则

从本质上讲,任何气体放电灯的工作原理都涉及气体原子或分子通过撞击电子或通过其他气体原子,离子或分子的能量转移而转移到激发的电子状态。 随后,激发的物质发出发光光,发光通常在可见光谱范围内或紫外线范围内,但有时在红外线中。

在大多数情况下,通过气体的激励电流通过两个电极施加,这两个电极通常放置在包含气体的玻璃管的两个相对端。 对于直流操作,即在恒定的电流方向下,一个电极是阴极(负极,将电子发射到气体中),另一个是阳极(收集电子)。 对于交流操作,电极交替实现这两种功能。 在某些情况下,有一个额外的点火电极,在连续运行期间不使用。 有点令人惊讶的是,点火电极(触发电极)甚至可以放置在玻璃外壳之外。

还有无电极灯,其中电能以其他方式引入,通常通过射频或微波场。 虽然这种方法通常会导致更高的建筑成本,但它通常允许特别长的灯寿命,因为避免了电极的典型退化。

在高压灯中,在高电流密度和高气体温度下运行,还可能存在大量的热辐射,即不仅仅是发光。

还有利用气体放电中的增益(光放大)的激光器- 例如,氦氖激光器,CO2激光器和氩离子激光器。 然而,这些不被称为灯。

电气特性

弧光灯或闪光灯的电阻抗不仅仅是一个常数;这在很大程度上取决于驾驶条件和灯的状态。

在点火之前,即没有任何明显的电离,这种灯的阻抗非常高,当简单地施加在操作期间足够的电压时,导致电流可以忽略不计。

为了传导电流,气体必须被电离(至少在某种程度上,通常低于1%)。 启动时,必须通过施加足够高的电压来实现点火,通常使用辅助电路。 所需的点火电压和工作电压取决于气体压力和气体类型。 (对于高填充压力,触发可能是一个挑战。 在正常运行期间,气体的电离由流动电流维持。 这仅适用于足够高的电流密度,这意味着气体放电灯通常只能在有限的范围内调暗,如果有的话。

气体放电通常表现出负差分电阻 - 至少在低电流状态下是这样。

当触发放电后以低灯电流启动时,等离子体的阻抗会随着电流的增加而迅速降低,因为这会增加电离程度。 在该状态下,放电表现出负差电阻:电流的增加不会增加压降,而是由于电离程度的增加而降低压降。 对于在恒定驱动电压下工作,这种行为可能是灾难性的,因为灯电流可能会迅速而强烈地增长。

对于较高的灯电流,如许多弧光灯中通常使用的那样,差分电阻变为正。 灯电压可能与电流的平方根成比例增长;这种经常观察到的行为导致了阻抗参数的定义K0,根据确定灯阻抗R = K0 I−1/2 。然后压降U = R I = K0 I1/2 。 但请注意,阻抗参数K0不能被视为设备常量。 例如,它在低电流状态下大幅增长,其中灯电流仍然局限于很小的横截面,尚未受到灯包络(壁稳定)的限制。 阻抗在非静止情况下也基本上与时间有关,例如在闪光灯中遇到。

对于弧光灯,通常采用更复杂的启动方法,从能量相对较低的高压触发脉冲开始,然后在连续波操作的主电源接管之前施加较低电压的高能量升压脉冲。 如果没有升压器,阻抗将无法充分降低。

由于需要触发,也可能是升压,并且由于某些制度中的负差分阻抗,大多数气体放电灯不能简单地通过施加恒定电压来操作,例如通常使用白炽灯。 相反,它们需要或多或少复杂的电路来触发和电流控制。 这在很大程度上取决于操作类型(脉冲的连续方式),操作参数的进一步细节以及适合哪种电路的灯类型。

气体放电灯通常以直流电 (DC) 运行,与交流电 (AC) 模式相比具有多种优势。 特别是,每个电极都有一个明确定义的功能(阴极或阳极),并且可以相应地进行优化。 此外,人们避免了在交流电流改变其符号时使用电离的风险。

然而,也有重要的例外,其中交流操作是可能的,并且具有电驱动电路复杂性较低的优点。 例如,图1显示了用于操作荧光灯的典型电路,该电路也可用于其他一些气体放电灯。 启动器包含一个微小的放电灯,与荧光灯相反,它可以从线路电压开始。 它加热双金属开关,最终使其短路。 然后,人们通过荧光灯的灯丝获得更高的电流,从而为灯的点火做好准备。 当双金属开关冷却后再次打开时,就会发生这种情况。 产生的电压峰值通常足以点火,除非在交流循环期间启动器的不方便时间;然后可能必须重复该过程。

气体放电灯 Gas discharge lamps

图1:用于操作荧光灯和其他气体放电灯的典型电路的布局。

现代电子电路越来越多地取代了这种简单的布置,并具有各种优点,例如更快,更可靠的启动,启动时寿命的缩短,更高的能源效率以及避免镇流器的嗡嗡声。

对于许多气体放电灯,特别是当使用简单类型的电气驱动器时,点火可能需要一些时间,可能并不完全可靠(有时需要多次点火尝试),并且通常倾向于缩短灯的使用寿命,例如通过降低电极。 使用现代电子设备,可以大大提高灯的性能。 如今,提供具有高功率效率的低噪声稳压直流驱动器并实现快速可靠的点火是没有问题的。

灯罩

在几乎所有情况下,气体放电灯都需要一种透明的外壳,以保持气体与周围大气分离;唯一值得注意的例外是传统的碳弧灯,它在大气压下使用空气工作。

信封通常实现为密封的玻璃容器(通常为孔径为几毫米的圆柱形玻璃管形式),由电极丝穿透。 电气馈通可能是一个关键方面,因为普通电线材料和玻璃之间的热膨胀系数有很大不同。 因此,有时需要使用不同的金属进行馈通和电极,将它们焊接在一起以获得良好的电接触。

灯罩必须满足大量要求。

灯罩对于发射的光应该是透明的,机械上足够稳定,可靠性高,并能抵抗经历的温度变化、气体压力和施加的气体或蒸汽。 对于某些灯具,非常普通的玻璃(例如硼硅酸盐)足以满足此目的,但在某些情况下会出现特殊要求。 例如,可能需要高紫外线透射率,而大多数玻璃会表现出很强的吸收性;然后合成熔融石英可以作为一种溶液,就其高抗热震性而言,这也相当不错。 请注意,通常说使用石英包络,但这具有误导性,因为这意味着熔融石英,也称为熔融石英,它是石英玻璃而不是像天然石英这样的晶体材料。

在某些情况下,例如对于高压钠蒸气灯,需要特殊的外壳材料,可以承受所用蒸气的极端化学反应性。 例如,有半透明的氧化铝陶瓷外壳。

在其他情况下,使用熔融石英(熔融石英)和一些掺杂剂来引入紫外线吸收,因为强烈的紫外线是有害的;它可能会损坏应用设置的某些部分(例如塑料、密封件和激光晶体),还可能导致环境氧气干扰臭氧的产生。 通过这种方式,人们可以生产“无臭氧”灯。

原则上,可以通过放大灯管(避免靠近放电点)来减少灯管的热冲击暴露。 然而,由于各种原因,通常需要相当紧凑的管子,例如更容易收集光输出,避免在工作温度过低的情况下在玻璃上沉积黑暗。

低压灯的外壳通常具有简单的圆柱形。 对于某些应用,需要弯曲形状,例如U形,近圆或螺旋形。 此外,人们可以生产字母和其他符号形式的弯曲管,例如用于广告标志。 早期的灯泵浦激光器使用缠绕在激光棒上的灯;后来证明,这种形状并不一定有利。

特别是对于弧光灯,最小化电极端的“死体积”可能是有利的。 这与生产电极馈通件的使用技术有关。

虽然有些放电灯的每一端都有一个电极,但其他放电灯的一侧只有引脚,适合一些标准化的插座。 有各种不同的插座,适用于不同的工作电压和功率。

电极

电极的各种细节会对灯的性能和寿命产生重大影响。 下面简要说明一些重要方面:

  • 阴极应具有低功函数(即容易发射电子),以最小化所需的电压并最大限度地提高效率。 因此,人们经常使用经过特殊处理的金属。 例如,可以生产多孔钨基体,并用钡或其他一些低功函数的材料浸渍它。
  • 电极形状可能非常重要。 例如,尖顶阴极可以在管的中心提供明确定义的放电位置;重要的是要避免放电太靠近包络线,因为这可能导致快速降解。 此外,对于弧光灯,通常欢迎对这种阴极尖端进行更强的加热以获得良好的热离子发射;请注意,连续波操作中的功率密度并不高。 对于具有高峰值电流的脉冲操作,圆形形状可以更好,将负载分布在更大的区域上。

气体放电灯 Gas discharge lamps

图2:激光应用中弧光灯和闪光灯灯电极的典型形状。

  • 大功率灯(特别是阳极)的电极在运行过程中需要特殊冷却,有时甚至是水流。 当然,开发可靠的灯结构并不容易,既要确保良好的热流,又要避免任何泄漏和绝缘问题。
  • 必须确保电气馈通件不会导致任何泄漏。 这并不总是那么容易,例如由于玻璃和电极金属之间的热膨胀系数存在很大差异。 已经开发了不同种类的密封件,特别是焊锡密封件,带状密封件和杆密封件。 例如,在后一种情况下,用玻璃密封粗电极棒,以便获得紧密连接。 有时需要使用较软的特殊密封玻璃,该玻璃本身需要与实际的信封玻璃融合(并且可能会使设备不那么耐温)。 杆式密封件可以是一种强大的解决方案,如果闪光灯不会太热,也可以允许闪光灯中的高峰值电流。

灯具电源

通常,气体放电灯的电源比白炽灯的电源复杂一些,例如:

  • 虽然放电的差分电阻在预期的工作点不一定为负,但灯阻抗是一个变化很大的量,电源必须以某种方式稳定工作电流而不是施加的电压。 电流稳定需要某种电气镇流器——在交流操作的简单情况下,它可以是电感镇流器,否则是一些更复杂(但通常更紧凑,甚至可能更便宜)的电子解决方案。
  • 对于启动,通常需要一个高压触发脉冲,有时还需要一个额外的升压脉冲。

气体放电灯的类型及其应用

气体放电灯种类繁多,在所用气体、气体压力、放电类型、操作模式(连续或脉冲)和电极细节等各个方面都有很大差异。 特定类型灯具的名称可以指不同的此类方面;例如,霓虹灯表示使用氖气放电(可能添加其他气体),辉光灯被认为在辉光放电状态下工作,高压灯显然使用相对较高的气体压力,闪光灯用于产生光脉冲。

在以下各节中,将根据不同的标准解释灯具的区别。 当然,这些类别是重叠的。

几何形状

气体放电灯有不同的几何形状:

  • 有线性灯,基于圆柱形玻璃管,末端有电极。
  • 管也可以弯曲以获得其他形状,例如U形,环形或螺旋形。

尺寸可能大不相同,例如有长度为几十厘米甚至更长的线性长弧灯,而紧凑的螺旋形管的直径可能只有几厘米。 一些灯针对近似点光源进行了优化,使用尖头电极之间的小距离。

用过的气体和金属蒸气

气体放电灯使用多种气体,具体取决于所需的发射光谱、光输出功率和辐射度。 这包括惰性气体,如氖、氦、氩、氪和氙,以及各种分子气体,如氢、氘、氮、氧或碳二极管。 在其他情况下,人们使用汞、钠、钾、铷、铯或某些金属卤化物等金属,这些金属仅在操作过程中大量蒸发;这种灯被称为金属蒸气灯和金属卤化物灯。 金属或金属卤化物的蒸发可能是由额外的起始气体(例如氙气)中的排放引起的。

灯的命名可能会产生误导!您可能并不总是了解实际使用的媒体。

命名有时会产生误导;例如,据说一些汽车配备了氙气灯,尽管实际上它们实际上是金属卤化物灯,也含有一些氙气作为启动气体,这也在达到卤化物的全部光通量之前提供一些光输出。 还有一个普遍的趋势是避免提及有毒汞。

在许多情况下,气体放电灯使用不同气体的合适混合物,从而可以达到所需的操作特性,例如在光谱、发光效率、辐射度和易燃性方面。 例如,人们可以利用不同物种之间的能量转移过程。 一些用于在某些方面提高性能的辅助气体可能不被供应商提及,甚至可能保密。

一个特例是准分子灯,其中激发的二聚体在气体放电中形成,这些二聚体在解离时产生紫外线。

请注意,发射光谱还在很大程度上取决于工作条件,特别是施加的电流密度和产生的等离子体温度。

辉光放电与电弧放电

放电灯的运行参数在气体压力、温度和电流密度等基本参数方面可能会有很大差异。 这导致了不同的操作机制:

辉光放电:气体温度低,电流密度低,功率密度低。

  • 辉光放电的特征是温度相对较低(例如接近室温),通常与小电流密度相关。 由于电离程度适中,气体的阻抗相对较高,即需要大量的工作电压,而电流密度较低。 自由电子和离子通常远离热平衡:电子的平均能量远高于离子,因为它们可以用较长的平均自由程长度加速。

电弧放电:等离子体温度高,电离强,阻抗低,功率密度高。

  • 电弧放电在温度大幅升高(数千摄氏度)的状态下运行,并且通常具有相对较高的功率密度和气体压力。 与火花相反,它保持了相当长的时间(不仅仅是几微秒)。 由于电离程度高,电弧具有低阻抗,即它以高电流密度但相对较低的电压(例如几十伏)运行。 电子的平均自由程长度较短,因此与离子在很大程度上处于热平衡状态 - 一个具有热等离子体。

注意:弧光灯不一定是基于电弧放电的灯!

因此,可以将灯分类为辉光放电灯和弧光灯。 然而,术语弧光灯也经常用于在辉光放电状态下实际运行的灯;然后,与带有火花的脉冲操作相比,电弧旨在强调连续操作;放电物理的细节在很大程度上被忽略了。 (具有讽刺意味的是,在高峰值电流下工作的闪光灯更有可能在高功率密度方面进入电弧状态。 闪光灯通常基于氖、氩、氪和氙等惰性气体,而弧光灯也可能涉及金属和金属卤化物。

对于以高工作电压驱动的信号,气体放电灯通常是最经济的解决方案。

典型的辉光放电灯是含有氖气或气体混合物的微型低功率信号灯。 一些微型低压冷阴极霓虹灯,也称为霓虹灯,仍然广泛用于信号应用。 它们不需要特殊的启动电路,而只需要一个简单的串联电阻器,有时将其集成到灯中。 它们需要相当大的工作电压(数十到数百伏),但电流相当小,并且效率相当高。 例如,它们用于电气开关,用于指示“开启”状态,或在其他地方仅用于指示线路电压可用。 对于在线路电压下工作,它们比LED解决方案经济得多。 此外,它们对电压测试仪很有用,甚至可以指示电压的极性,因为发光主要位于阴极周围。 在早期,这种灯也以字母数字显示器的形式使用,然后这些灯在很大程度上被基于发光二极管的设备所取代。

辉光放电也可以产生大量的光功率,但由于功率密度低,因此需要较大的发射体积,从而导致非常低的辐射。 对于照明(照明)目的、信号灯(例如广告)而言,这是完全可以接受的,甚至是有利的,但对于需要产生定向良好的光束的投影显示器或探照灯则不然。

传统的弧光灯基本上一直是碳弧灯,其中石墨电极在空气中操作。 在这里,电弧非常热(温度为数千摄氏度),并且产生相当明亮的白光,功率密度很高。 由于石墨电极的发光效率相对较差和寿命短,也由于附近光学元件的快速污染,碳弧灯已基本过时。 有关更多详细信息,请参阅有关弧光灯的文章。

碳弧灯的现代替代品是氙弧灯,也具有相对较短的弧度,长度通常为几毫米,但在这种情况下被熔融石英管包围。 功率密度也相当高;几十瓦到几千瓦之间的电能在相对较小的体积中转换,导致电弧的工作温度非常高,并以相对较高的辐射度发射 - 适用于大功率投影显示器(在电影院和投影仪中)和定向探照灯,例如。 此类灯属于高压放电灯类别,如下文进一步讨论。

冷电极和热电极

一些气体放电灯(热阴极灯)需要电极的高温,至少是阴极的温度(用于直流电流操作),因为只有这样才能获得足够强的电子热离子发射到气体中。 这可以在高压灯(见下文)中通过以足够高的功率密度运行来实现。 在其他情况下,电极是灯丝,有点类似于白炽灯中使用的电极;它们可以用电流加热到所需的温度。 通常,例如在普通荧光灯中,人们主要使用主动加热进行启动;正常运行期间较低的灯丝电流只会导致微弱的发热。 热离子发射可以通过金属电极上的薄氧化物涂层来增强。

还有冷阴极灯,其中电极可以相对凉爽,并利用场发射。 然后,所需的点火电压可能会高得多。 这种灯在被发光二极管(LED)大量取代之前,已广泛用于平板显示器。

连续和脉冲光发射

许多气体放电灯设计用于连续运行。 通常建议避免频繁切换,因为这会延长其使用寿命。 连续发射通常会导致弧光灯的命名,即使物理操作参数实际上表明了辉光放电状态。

有些灯是为脉冲发射而设计的,其中许多只能在该操作模式下使用。 例如,一些闪光灯用于泵浦脉冲(自由运行或Q开关)固态激光器(→灯泵浦激光器)。 这种灯通常需要发出相对较短的脉冲,例如持续时间远低于1 ms。 其他闪光灯管用作摄影或某些信号的手电筒,或用作频闪仪的频闪灯。

由于开始放电的可用时间非常有限,闪光灯不能利用首先必须蒸发的材料。 因此,它们通常基于氙气等简单气体。

通常,闪光灯具有相对较大的发射体积,以实现足够高的脉冲能量。 所需的高电峰值电流可以由安装在灯附近的电容器提供。

低压放电灯

低操作压力导致辉光放电产生低功率密度的线光谱。

低压放电灯使用相对较低的压力(通常远低于大气压)的气体放电。 在该状态下,气体的原子,离子或分子之间的碰撞率相对较低,因此发光相对不受这种效应的干扰。 因此,产生的光的光谱通常是线谱,即它由离散的光谱发射线(由束缚到束缚跃迁产生)而不是宽连续体(涉及自由电子)组成。 有时,在特定光谱区域中只有几条线,而在其他情况下(例如氙气),在整个可见光区域(包括紫外线)中获得广泛的线。

由于气体的密度相对较小,需要使用大量的气体体积才能获得一定的光功率,并且产生的辐射相当小。

气体和电极的工作温度通常保持相当小,对于施加的电流密度也是如此。 因此,灯泡的使用寿命通常可达数千小时。 放电通常在辉光放电状态下。

众所周知的霓虹灯招牌是用低压灯制成的。

各种低压放电灯适用于照明目的;这尤其适用于基于汞蒸气和荧光粉的荧光灯。 基于惰性气体的低压灯,发出不同颜色的光,主要用于广告装置。 通常利用的是,气管不需要是直的,但可以弯曲成字母或其他符号。

由于气体放电的不稳定性,经常观察到一定量的闪烁(有限功率及其空间分布的变化)。 它通常是不需要的,并通过适当的设计最小化。 在少数情况下,人们使用橙色调的闪烁灯泡,这在某种程度上模仿了蜡烛的发射。

低压汞蒸气灯广泛用于产生紫外线,例如用于紫外线固化或紫外线光刻的工业过程,或用于水的灭菌。 对于其中许多应用,大发射体积不是问题。

霓虹灯作为低压信号灯的典型例子已经在上面提到过。

一些低压灯的准单色发射使它们可用作光谱学应用的光谱灯,例如

  • 用于荧光光谱(通常使用紫外激发)
  • 用于某些干涉仪,例如菲索干涉仪
  • 用于校准某些标准光谱线的光谱仪

通常,将它们与干涉滤光片结合使用,干涉滤光片是仅传输一条特定发射线的带通滤光片。

高压放电灯

高压灯可以在更高的功率密度下运行,以实现高辐射输出,并具有连续的光谱。

在高压放电灯中,施加的气体压力可能仍低于大气压,例如几百毫巴,但与低压灯相比相当高。 在其他情况下,人们使用更高的压力,例如几个甚至几十个大气压。 这些灯主要基于金属(例如汞或钠)或金属卤化物。

请注意,操作压力可能明显超过填充压力,因为温度可能会因强烈排放而大幅升高。 这种压力上升可以通过灯中的任何死区来减少,例如除了我们的电极后面。

高操作压力对性能有两个特别重要的影响:

  • 由于碰撞过程的速率较高,导致发射的寿命展宽,发射光谱通常相当宽和平滑(连续统一体),尽管它可能仍然包含一些展宽的谱线。
  • 由于由此产生的气体原子、离子或分子的高密度,人们可以获得每单位体积更高的光输出,因此可以获得更高的辐射度,这是投影显示器等某些应用所要求的。

关于寿命,高压灯往往不是最好的!

进一步的后果是放电的高工作温度,这与高密度一起意味着人们在电弧状态下工作。 电极还以高电流密度运行,暴露在高温下以及电子和/或离子的轰击;由于这些恶劣的条件,灯的使用寿命通常(但并非总是)不长 - 在某些情况下,只有几十小时。

气体放电灯 Gas discharge lamps

图3:用于激光泵浦的闪光灯。来源:卓越科技

高压灯(例如在多个大气压下带有氪气或氙气)也用于泵浦连续波或脉冲(自由运行或Q开关)固态激光器(→灯泵浦激光器),其中低压灯的光输出通常不足。 尽管灯泵浦激光器在许多领域已被二极管泵浦激光器取代,但它们仍然具有优越性,至少在成本方面,特别是对于一些需要高脉冲能量和中等脉冲重复率的应用。 在这种情况下,它们在功率转换效率方面的缺点并不总是很重要。

高强度放电灯通常用于投影仪和其他高辐射应用。

一些灯针对特别高的体积发射密度进行了优化;它们被称为高强度放电灯(HID灯)。 它们的运行功率在几十瓦到几十千瓦之间。 发光体积通常可以保持非常小,例如几mm3,有时甚至低于1mm3 。 气体(例如汞、一些卤化物和氙气)和电极的工作温度通常相当高。 因此,人们经常使用钨电极,特别耐高温,并且可能经过处理以实现更有效的电子任务。 玻璃也可以达到900°C左右的温度。 发射光谱可以相当宽广和平滑,发光效率可以在100 lm / W左右甚至更高。 一个有问题的方面是有毒汞的大量含量,当灯爆炸时,有毒汞有时会释放到环境中——由于高温高压的恶劣操作条件,这种情况并不罕见。 在运输过程中(实际使用前后)可以使用额外的外壳,可以防止飞溅的碎片造成伤害,但不一定是防止汞污染。 处理此类高压灯需要特殊的预防措施,以尽量减少安全隐患;对于大功率版本(例如在电影放映机中),可能需要全身保护。

还有高压汞灯产生紫外线,用于光刻等应用。 在这里,人们再次需要高辐射度,因此需要高发光的体积密度,而只有高压灯才能实现。

高压钠蒸气灯在更温和的压力下运行,也含有一些汞,可以达到相当高的发光效率(虽然没有四个低压钠灯那么高)和长寿命。 与低压灯相比,它们表现出更平滑的光谱,但基本上仍然是黄色外观,有时被接受用于工业照明和植物生长,但通常被认为不适合室内照明。

荧光灯

虽然对于大多数灯,人们直接使用气体放电中产生的光,但也有荧光灯,其中使用某种荧光粉来转换光。 最常见的是,人们使用来自低压汞放电的紫外线在玻璃管内侧的荧光粉层中产生白色荧光。 有关更多详细信息,请参阅有关荧光灯的文章。

灯具冷却

对于相对较低的平均功率密度,通过环境空气进行简单的对流冷却通常就足够了。 这尤其适用于以低重复率运行的闪光灯。 使用强制风冷,功率密度至少可以提高一倍。

然而,弧光灯,例如用于激光泵浦,通常需要液体冷却,在大多数情况下,软化水的湍流,例如在灯罩和流管之间。 非常有效的散热允许在更高的热负荷下运行,例如每平方厘米的管面积超过100 W。 水流通常应从阳极引导到阴极,因为阳极上的热负荷要大得多。

当然,液体冷却更难实现。 必须确保保持具有适当温度的可靠冷却水流量,理想情况下,在出现冷却问题时自动关闭灯。 去离子冷却水必须保持非常干净;通常将冷却循环中的任何使用材料限制为不锈钢和塑料,以防止任何腐蚀。 冷却电极需要特别小心,避免在施加高电压的情况下出现任何绝缘问题。

气体放电灯的性能因素

输出功率和辐射度、辐射量和光通量

尽管光输出功率(辐射通量)和辐射率或灯与各种应用有一定的相关性,但很少指定。 例如,由于全向发射,输出功率的测量将比激光源更困难;通常使用积分球。

对于照明领域的应用,通常指定光通量,在这种情况下,这是一个更好的衡量标准,因为它考虑了人眼的波长依赖性灵敏度。

碰巧对灯的辐射通量没有任何规格!

对于其他应用,例如灯泵浦激光器,通常根本没有有意义的光输出规格。 那些应用这种灯的工程师只需要根据他们的经验来研究用某种类型的灯以一定的电功率或脉冲能量驱动可以实现多少激光输出。

输出光谱和显色性

如上所述,低压灯通常发出线谱,而高压灯倾向于产生连续光谱。 根据使用的气体(或气体混合物)和操作条件,会产生非常不同的光谱。

有时在显色性和能源效率之间需要权衡取舍。

在照明环境中,显色性的质量通常令人感兴趣。 高显色指数(CRI)是通过灯发射广泛的连续体或许多线条的组合来实现的,这些线条很好地分布在可见区域。 特别是一些低压灯,只发出几条这样的线,在显色性方面相对较差。 对于应用,可以在高发光效率和高显色指数之间进行权衡;最佳选择可能取决于准确色觉对特定应用的重要性。 例如,艺术品的照明在这方面通常比家庭或工业环境中的照明更敏感。

紫外线输出

虽然一些气体放电灯专门用于发射大部分紫外线,但除了实际使用的可见光外,其他灯还会产生一些不需要的紫外线。 这不仅可能构成能量损失,而且还会对人体皮肤和眼睛产生负面副作用。 在极端情况下,甚至可能存在产生强烈臭氧的问题,这对于室内使用尤其成问题。 因此,有时最好使用无臭氧灯,其中紫外线发射最小化,例如在管玻璃中使用紫外线吸收掺杂剂(例如氧化钛或氧化铈),或通过在氮气气氛中操作灯,因为臭氧只能通过辐照氧气产生。 但请注意,即使是无臭氧灯也可能表现出一些紫外线发射,例如在导致臭氧产生的光谱范围之外。

发光功效

发光效率(以lm/W为单位)在很大程度上取决于灯的类型,主要取决于使用的气体,但也取决于操作状态。 它可能相当高,例如白光灯在 50 到 150 lm/W 之间,钠蒸气灯甚至大约 200 lm/W,而其他灯则表现出 10 lm/W 量级的低得多的值。

在某些情况下,发光效率在很大程度上取决于环境温度。 例如,涉及汞排放的灯具就是这种情况,因为汞压力与温度有关。

启动时间

有些灯具有相对繁琐的启动行为,并且在过于频繁地打开和关闭时会失去使用寿命。

气体放电灯在启动方面差异很大。 其中一些,特别是当配备现代电子电路时,可以在几分之一秒内可靠地启动,并非常快速地产生全光输出。 其他需要大量的启动时间,有些则需要大量的时间才能达到其全部指定的光通量。 金属卤化物灯尤其如此,其中需要提高气体和电极的工作温度来产生完整的工作压力。 然而,对于一些荧光灯,特别是对于在运行过程中温度大幅升高的紧凑型灯,也观察到了同样的情况。

其中一些灯不适合冷重启。 这意味着它们在关闭后不能直接打开,而是首先必须冷却,例如几分钟。 例如,一些高强度投影仪灯泡就是这种情况。

根据灯的类型,每次重新启动都会或多或少地缩短使用寿命。 虽然这种影响对于现代荧光灯来说可能很小,在使用寿命期间允许数千次开关循环,但对于金属卤化物灯来说,这可能是严重的。

冷却

许多灯可以简单地在空气中运行,无需对灯罩进行特殊冷却。 电极可以通过导线的热传导接受一些冷却。 通过强制风冷,可以加速传热。

一些结构涉及电极的水冷,或者至少是阳极,这通常会变得更热。 在某些情况下,例如对于某些灯泵浦激光器,整个灯被去离子冷却水(具有低电导率)包围。 在这里,灯通常被玻璃制成的流管包围,该流管在传输产生的光的同时包含冷却水。

灯泡寿命

放电灯在使用寿命方面差异很大。

一些气体放电灯的使用寿命很长,可以达到数千小时或闪光灯的数百万次闪光。 这主要适用于低压灯,特别是那些由于通过无线电波或微波提供能量而不需要电极的灯。 普通家用荧光灯的使用寿命也相当长,特别是当使用现代电子镇流器操作时。 对于许多目的,长寿命不仅是由于灯的成本,还因为更换灯需要额外的努力,有时因为灯故障会导致安全隐患。

不幸的是,对于需要高功率密度的灯来说,长灯寿命要困难得多,例如产生高辐射光。 然后,一个人可能只能达到几百小时,甚至只有几十个小时。

在使用寿命期间,辐射通量通常会显着逐渐损失。 寿命终止可能意味着灯不再工作(例如,由于点火电压过高),或者产生的光输出不足。 在某些情况下,过度闪烁是终端问题。

灯泡寿命通常受到电极退化和相关问题的限制,例如电极材料在玻璃外壳内侧的沉积。 然而,也可能存在气体填充污染的问题(例如,如果外壳变得太热)、玻璃故障(破裂甚至爆炸)或密封件泄漏(这可能是由于灯安装不当引起的)。

安全隐患

气体放电灯的使用可能涉及各种安全隐患和环境负担:

  • 其中一些含有有毒物质,如汞。 当这样的灯被打破,汞含量释放到空气中时,通常不会导致急性中毒。 然而,如果可能的话,应避免接触这种汞。 不幸的是,灯具往往没有得到妥善处理,因此汞在其使用寿命结束后会释放到环境中。
  • 一些气体放电灯还含有放射性物质,如85Kr和钍,其中一些也会在玻璃破碎时释放出来。
  • 一些灯会发出大量的紫外线,这可能以不同的方式有害,特别是对暴露的皮肤和眼睛,有时也会通过在空气中产生有毒臭氧。
  • 玻璃管破碎可能会造成伤害,特别是对于具有数十个大气压的高压灯,这些灯在操作过程中或处理时偶尔会爆炸。
  • 放电灯通常需要相当高的工作电压,如果有人触摸电线,可能会导致严重的电击。
  • 发电可能会造成严重的环境污染。 对于低效灯来说,这是最成问题的,但气体放电灯实际上通常属于最有效的光源。

基础光学

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