BOB半岛:照明发展史15 — 汞灯和氙灯(纪念蔡祖泉先生)

  超高压汞灯气压高,温度高,发光比高压汞灯接近日光,不必再用荧光粉校正光色。即使这样,超高压汞灯和日光之间仍有相当大的差别,蓝绿色的光还是比较强,显色性不够好。如果用来拍摄彩色显微照片或进行彩色投影显示,色彩还是要失真。这种场合下,超高压汞灯就力不胜任了,要用后面谈到的铟灯或高压氙灯。

  日光灯——管壁涂有卤磷酸盐的荧光灯,光色仍然不够理想,颇有点名不符实,人们于是总想找到一种光色更接近日光的光源。

  氙是一种惰性气体,它在空气中的含量极少,只占总体积的一亿分之八,英国化学家拉姆塞直到1898年才发现了它。

  惰性气体有6种,氙的体重居第二,比同体积的空气重3倍多,所以充氙气的气体放电灯的发光效率,要比充其他惰性气体的放电灯的发光效率来得高。

  同普通荧光灯一样,长弧氙灯也是管状的。灯管用耐高温和热膨胀系数小的全透明玻璃制作。管内充有纯度很高的氙气,两头封接两个钍钨或钡钨电极,灯管比一般荧光灯管还长。

  长弧氙灯要用触发器来开动。因为灯的工作电压太低,不足以使灯内的气体电离放电。触发器的作用就是产生一种高压脉冲加到灯的两极上,在灯管里形成火花放电通道,同时加热电极发射大量热电子,灯就马上点亮发光了。

  由于氙原子结构的特点,氙气放电能发出很强的弧光,光谱跟日光非常接近,这是它最重要的特点,人们因此称它为“人造小太阳”。

  荧光灯的功率受到限制,一般在5到100瓦之间;氙灯的功率却可以做得很大,少说几千瓦,大的可达几十万瓦。发光效率也高,使用寿命跟荧光灯差不多。

  功率越大,管壁温度越高,都要高到好几百度。这时光靠自然冷却是不够了,需要强制冷却,或者用风冷,或者用水冷。水冷就是用循环水冷却管壁,叫沿着水套流动的水把灯放出的热量带走。

  当然,既要灯管,又加水套,既需供电,又得给水,水冷是挺费事的。但是,水冷大大降低了灯管的温度,可以增加灯的功率,缩小灯的体积,延长灯的使用寿命,提高灯的发光效率,总起来说仍然是很合算的。

  一只5万瓦的长弧氙灯,发出的光顶得上成千只100瓦的荧光灯或成百只400瓦的高压汞灯,这样可以省下很多的灯具、灯柱和镇流器,管理和维修也方便得多,非常适宜于市中心、体育场、公园、车站、港口、机场、大型工地等处的大面积照明。

  由于光色接近日光,长弧氙灯在彩色照相制版,布匹、织物的颜色试验,药物、塑料的老化试验,植物栽培,以及光化学反应等方面也有相当的应用价值。

  短弧氙灯实际上是距离很近的两个电极在高压氙气中的弧光放电。正因为两极相距很近,所以氙气电离后发出的弧光很强很短,称之为“短弧”是名副其实的。

  从实质上讲,长弧氙灯是高压氙灯,短弧氙灯是超高压氙灯。举例来说,有一种电影放映用的短弧氙灯,灯内充有常温下5~7个大气压的氙气,工作时灯内气压高达20个大气压。

  一般的短弧氙灯多做成球形或椭球形,同高压汞灯相似。功率从几十瓦到几万瓦,发光效率比长弧氙灯略高,光色接近日光,为已有的点光源所不及。

  短弧氙灯不但光色好,发光稳定,而且使用方便、清洁,没有烟尘,既减少了电影放映系统的维修工作量,又有利于健康。

  具有这么多明显的优点,难怪在短短二三十年内,短弧氙灯的生产和应用就有了很大的发展,在彩色电影、电视的摄制、放映,以及舞台照明、照相制版之外,小功率的短弧氙灯用到光学仪器上,大功率上万瓦的短弧氙灯的最亮点甚至超过太阳,可以用到探照灯、成像极和太阳模拟器中。

  短弧氙灯两个电极之间的距离很小,只有几毫米到十几毫米,灯管两端的电压不高而电流很大。很大的工作电流会使阳极的损耗大大增加。必须保证阳极有足够大的尺寸才能使热量散发出去,否则就容易烧毁。

  光靠增加电极尺寸还不够,小功率的短弧氙灯可靠自然冷却,较大功率的要用风冷,更大功率的要用水冷。水冷也不再是用水来冷却灯管,而是直接用来冷却电极,特别是阳极,这样既可以缩小灯的尺寸,又给制造更大功率的短狐氙灯创造了条件。

  往灯管里充进少量的氢气和氦气,可以使短弧氙灯两端的电压增加,电流减少,从而提高灯的发光效率,也使灯的亮度分布更加均匀。

  把少量的水银充进灯里,得到了一种新的汞氙灯。新灯的发光效率高,现在已被广泛地用做机车、船舶以及探照灯的光源。

  脉冲氙灯的发光效率大约40流明/瓦,和其他氙灯相近。它的色温很高,大约为7000~9000K。发出的光中一部分是可见光,与日光的色彩相近。一支灯用得适当,可以闪光100万次以上。

  脉冲氙灯有什么用呢?其实,许多人看到过它的闪光。也许你参加过一些值得纪念的会议,也许你参加过欢迎外宾的活动,至少你在电影或电视上看到过这样的场面。那里最忙最活跃的是新闻记者,在他们穿梭往来的时候,就亮起一阵阵强烈的闪光。这种闪光是从“万次闪光灯”发出的,它就是脉冲氙灯的一种,当然是一种微型轻便的脉冲灯。以前用的有一种像白炽灯泡那样的单次闪光灯,用一次换一个灯泡。这种单次闪光灯和万次闪光灯完全不同,它不是放电灯,也许可以称为化学灯。为什么叫它化学灯呢?这种灯泡中存有细的锆丝,还充氧气。灯一开,3~15伏的电池把里面的钨丝点亮,就像打一下自来火一样,引起锆和氧发生剧烈的燃烧反应。化学反应放出大量的热,把反应中产生的二氧化锆加热到白炽,从而发出耀眼的闪光。因为化学反应提供了发光的能量,所以不妨称为化学灯,也可称为燃烧式闪光。这种灯的闪光时间只有1/20秒,锆丝一次烧完,不能再用。万次闪光灯利用放电发光,可以用5千到5万次。它的色彩比单次灯更接近日光,发光时间只有千分之几秒,但亮度高,适合于彩色摄影,特别是高速摄影。拍摄短跑运动员赛跑,或是拍摄飞行的,如果用1/20秒的速度,只能得到一片模糊的图像,因此必须采用快速的脉冲氙灯。新型脉冲氙灯的发光时间仅百万分之几秒。

  脉冲氙灯能发出很强的近红外线,它的一个重要用途是作为红外线激光器的激发源,称为光泵。比如在工业上作为打孔、焊接等用的固体激光器,产生激光的物质是掺一种稀有金属钕的特种玻璃或特种晶体,一般制成圆棒,把棒和脉冲氙灯平行地放在一个四壁反光的聚光器内。脉冲氙灯发出的强光照射到棒里,使棒里的原子受到激发。在一定的条件下,就能发出激光。这里,脉冲氙灯的作用,有点像水泵把水泵到高处一样,它把激光物质中的原子“泵”到激发状态,随后发光,所以称为光泵。

  一般激光物质受到氙灯激发后,发出激光的能量只有光泵能量的百分之一左右。但是,激光不像普通的灯那样,把光射向四面八方,而是集中地发出一束很细的光束。就是因为能量高度集中,亮度可以比太阳高出好多倍。脉冲氙灯虽然功率大、亮度高,但是照在金属板上时,金属板纹丝不动。而激光呢?能量虽然比氙灯小得多,但因为能量高度集中,照到金属板上时可以立即打出一个小洞来。

  激光是比一般的灯更重要的一种新光源。它的出现引起整个光学的一场;它也是科研、工业生产和国防上非常有用的光源。

  还有一种脉冲氙灯,称为频闪管。它不像光泵氙灯那样每秒只闪几次,或一、二分钟内一次。频闪管的能量小,闪得快,每秒钟闪1000次左右。这是真正用来测量转速的光源,当然它不是像我们前面说过的那样用来测唱机转速,而是用在科研上、工业上测高速旋转的转速。

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