[科普中国]-无极放电

无极放电是指放电中没有内置电极，使放电腔可以采用单种材料密闭而成。

简介无极放电最早由Hittorf发现，随后Thomson作了更完整的研究，Tesla首先采用无极放电原理设计了照明概念灯。随后20世纪末半导体技术的突飞猛进制造性能可靠、价格低廉的镇流器成为可能，无极放电光源的研究得到深入的开展，在过去20年，超过500项无极灯专利得到批准，多种产品面世并表现出巨大的潜力。无极放电光源既可以是高气压放电，也可以是低气压放电，根据发展情况，无极放电光源可以有以下四种类型。

1.感应放电；

2.容性放电；

3.微波放电；

4.行波放电。

无极放电光源的发展无极放电是未来光源发展的一个重要方向，将首先介绍无极放电的四个可能的放电类型及其基本原理，然后对成熟的无极光源产品进行讨论，最后对各种放电机理未来发展趋势进行展望。1

感应放电感应放电有时候也称为H型放电，在这样的放电中等离子体产生闭合的电流可以看作变压器的次级线圈，而初级线圈可以是放在等离子体中间或者在等离子体的周围。只要提供足够的功率来维持H型放电，它可以在比较低的频率下就得到足够的祸合效率，因此可以得到比较理想的发光效率。在实际的研究中还发现，这样的设计相对 比较简单，而且电磁干扰比较小，另外可以采用相对较低的频率，所以镇流器的电子元件成本可以降低。1

容性放电容性放电通常又称为E型放电，这样的等离子体可以看成是一个密封的玻璃容器放在电容的两个极板之间。E型放电在原理上跟普通的电极间放电十分类似，只是把两个电极移到放电管外部罢了，能量祸合时必须通过电极附近的鞘层，这样导致这种放电的特性受驱动频率的影响十分大。E型放电同H型放电相比，它的祸合效率要低很多，而且功率密度也要低很多。要得到足够高的功率密度以满足光源设计的需要，就要求镇流器的驱动频率十分高，这样就使电子元件的成本急剧上升，更值得注意的是电磁干扰也变得严重了。1

微波放电此时电磁波的波长和藕合器及放电管的尺寸可以比拟，在这样的放电中由于频率很高电子如果不与周围粒子 碰撞就很难得到足够的能量来激发原子(分子 ) 发光，因此在微波放电中电子与周围粒子的弹性碰撞有决定性作用，电子通过弹性碰撞来不断改变运动方向，逐渐从微波场中得到足够能量来激发和电离原子 (分子 )。微波放电的特点和E型放电有点类似，但由于微波频率较高因此 有较高的祸合效率，光效也较高。由于产生微波的磁控管是比较成熟产品，因此成本稍低，但由于微波频率高的缘故需要波导和藕合腔等装置，设计时结构会比较复杂一些。1

行波放电等离子体可以在行波放电中产生，典型的就是表面波放电，电磁波会随着等离子体形成的通道传播。电磁波在传播的过程中不断的加人电子来电离气体，可以确保电磁波在气体形成的等离子体中传播，因此气体电离形成等离子体本身可以作为一 个波导来约束等离子体的传播方向。因此与前面介绍的微波放电有一个很大的不同，等离子体不需要全部包围在波导或祸合腔内，可以通过电磁波传播方向来控制电磁波的传播结构。微波经过谐振腔以后可以沿石英管进行传播并形成等离子体放电。1

感应放电的发展感应荧光灯是发展的最好的无极放电光源，其发展的一个主要方向是大功率放电结构的设计，由于其祸合功率密度很高，有希望提高光源的发光强度来适应泛光照明、道路照明和大型厂房照明的需要。通过灯具设计来满足这些照明要求，如果大功率放电结构得到突破，可以进一步拓宽其应用范围。另外，感应放电荧光灯应该进一 步减少电路和磁心的能量损耗，如果将这部分能量损耗降低到15%，预计灯的光效可以超过80lm/W。

感应放电的金属卤化物灯也是另一个重要研究方向，无极金属卤化物灯可以达到很高的光效，而且还有其它很多优点，特别是可以采用无汞的发光物质组合。但仅在实验阶段，需要克服的困难有放电结构的设计，放电的启动问题，电弧的不稳定和熄灭，卤化物游离和管壁发生作用等问题。还有应该在点灯回路的设计进行研究，以保证光源的稳定工作。虽然实验证实适当的发光物质配比可以得到发光效率180lm/W的光源，但还没有可以真正使用的无极金属卤化物灯投人市场。1

容性放电的发展在荧光灯方面，容性放电在低频驱动下工作不可行，实验证明当工作频率超过27MHz 时放电的鞘层电压比直流放电低，并且可以提高灯的光效和寿命。曾经Proud和Smith采用gl5MHz的微波作为驱动源来进行放电, 但也没有成熟产品问世，因为其光效和微波藕合效率比较低。其发展方向将主要在小功率放电和无汞放电。但由于其结构简单可靠，可以在仪器中作为激励光源。

容性放电的金 属卤化物灯是一 个重要的发展方向，由于其轴向电场强度比较高，维持放电的能量可以比较小，放电等离子体尺度一般仅lmm左右。再加上其温度轮廓比较平，等离子体的热容小等特点 ,可以使它有很好的启动和再启动特性。因此容性放电的小功率金属卤化物灯是一个 比较有应用前景和发展潜力的方向。1

微波放电的发展微波放电的发展主要有不同发光物质的研究，通过不同的金属卤化物配比可能得到光效更高，显色性能更好的光源。另外放电结构，特别是谐振腔的改进，可以进一步提高放电的祸合效率和工作方式。另外，微波放电的小功率方向也是一个很好的探索，随着低成本固态微波源的发展，将会有更多应用产品问世。1

行波放电的发展根据whamrby的实验证明表面波放电可以得到与传统荧光灯正柱不相上下的发光效率。但考虑高频转换效率，其光效不具优势。为了提高表面波放电的发光效率就要求，表面波放电发生集中在管壁附近以减少光损失，但这样的放电是非平衡的等离子体，因而发光不均匀。行波放电的无极光源还在初步探索中。

无极放电光源是未来新型放电光源的一个重要发展方向。随着在发光机理的不 断深入认识和放电结构设计的逐步改进，结合电子线路的创新和祸合效率的提高, 无电极放电光源必将得到更大的发展空间，应用范围也将不 断得到开拓。1

高频无极放电氦磁光源高频无极放电氦磁光源是高频无极放电灯的一种应用，它是氦共振磁力仪的核心器件，包括氦光泵灯和氦磁共振吸收室(以下简称氦灯 、氦室)。氦磁力仪被广泛应用于海洋磁力分布调查，绘制磁力图，地震的预测以及地矿 、石油 、地下文物探测等领域。地磁场磁力线均匀分布，当某一地区存在顺磁性或铁磁性物质时，磁力线分布将会发生变化，磁场强度同时增加，氦磁力仪通过发现磁场的变化可以进行江海及地下探测。氦灯在高频电磁场激励下发出的圆偏振光，经过透镜变 成平行光，透过偏振片，进入氦室，通过检测到达红外探测器件的圆偏振光的强度，达到测定磁场的目的。氦磁力仪工作过程中，氦灯 、氦室产生磁共振信号的大小直接影响氦磁力仪灵敏度的大小。2

材料的选择氦灯和氦室制造水平的高低直接影响氦磁共振信号的大小。产品制造离不开材料的选择。基于产品的技术要求，氦灯氦室的填充气体 ———氦气的纯度要求很高，实验所用氦气纯度为99.9999%。气体纯度高，对氦灯而言，在电磁场作用下可以减少因杂质粒子碰撞，影响D1线的辐射；对于氦室而言，才能保证D1线进入氦室的吸收与辐射不受损失，不存在因杂质气体产生的共振辐射陷阱。为了使氦灯氦室有一个“高纯”的氦气工作环境，要求产品制造中有高真空的获得技术，真空度要求10-8Torr 以上，这包括使用高真空无油分子泵，摸索不同玻璃的最佳除 气温度，在排气过程中及烧灯后进行特殊的老炼等手段。制造产品外壳的玻璃选择很重要，要求能透近红外(1.083μ)性能较好，并能兼顾加工难易程度，玻壳烘烤温度与析晶现象的矛盾等因素。一般选用含Fe3 +比例较大，膨胀系数31～37 ×10-7/ K的钨组玻管。2

氦灯氦室玻壳制造氦灯中间一段细管径玻管是D1线(包括其他谱线)输出部分，这一段玻管制造要求厚度均匀，平整光滑，无变形失透，以防止D1线因散射而损耗。氦室的要求尤其严格，在高纯氦共振吸收室的工作模式中 ,D1线从一端玻屏射入，经共振吸收室后从另一端玻屏射出，为了保证出射偏振光强度最大，玻屏必须平整无变形，以确保D1线不受损失。玻屏与玻管封接依靠专用设备封屏机完成。2

气压力的选择及控制充气压力直接影响气体放电灯的技术性能，氦灯是氦原子在高频电磁场作用下从基态跃迁至亚稳态23S1，亚稳粒子碰撞激发至23PJ态(J =0, 1, 2), 激发态粒子跃迁辐射出1.083μ谱线。根据气体放电理论，氦灯的充气压有一最佳值区域，合适的充气压才能保证粒子激发跃迁产生需要的D1线。氦室是氦原子在高频电磁场中产生弱共振激发，从基态过渡到亚稳态，亚稳态粒子在D1线作用下产生光学取向。氦室充气压比氦灯低得多，而且有一 最佳值。氦室充气压P与磁力仪灵敏度S存在一关系曲线。对于有确定尺寸的氦室，其充气压为4Torr，氦灯充气压为氦室的15～20倍。为了保证充氦气的准确性，排气系统应使用针型凡尔及高倍显微镜。2

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学