关于照明光源介绍

[拼音]：zhaoming guangyuan

[外文]：light sources for lighting

用作照明用的光源。有白炽灯和气体放电灯两类。

白炽灯

固体被加热到很高的温度时，就会发出耀眼的白光。这种状态称为白炽。利用这一原理制成的光源称为白炽灯。

太阳是最重要的白炽光源，它是地球上光的主要来源。油灯和蜡烛是人们早期制作的白炽光源。19世纪后半叶，为了制作采用电加热的白炽灯，进行了许多尝试。1879年T.A.爱迪生试验成功白炽电灯。当时他采用碳丝作为灯丝。为了防止氧化，灯泡内被抽成真空。

由热辐射理论可知，为了获得高发光效率，灯丝应选用高熔点的材料，并维持在尽可能高的工作温度之下。在诸元素中碳的熔点最高，但高温时它在真空中很容易蒸发，因此，它的工作温度不宜高于 2100K。钨的熔点虽然比碳低，但因它的蒸发率也比碳低，工作温度反而可以提高到2400～2600K，使发光效率（简称光效）从原来的2 流明／瓦上升到10流明／瓦。钨还有一些其他优点，如它在红外区的辐射小于黑体，在高温时有较高的机械强度，也比较容易加工成形。1906年，钨丝被用作白炽灯灯丝。目前，除特殊情况外，几乎所有的白炽灯仍使用钨丝作为灯丝。

温度很高时，钨在真空中的蒸发依然相当可观。这限制了钨丝工作温度的提高。实验表明，灯炮内充入氩、氮等气体可以抑制钨的蒸发，从而可以使钨丝的工作温度提高到 2700～3000K。但由于所充气体的热传导损失，灯的光效比同样温度的真空灯泡低。这样，充气所产生的两方面的效果便相互矛盾。后来研究发现，将灯丝由直丝改成螺旋形可以减少热导损失。这样，钨丝工作温度提高获得的效益大于气体热导损失，使灯的光效提高。1913年单螺旋形灯丝的充气灯上市。为进一步减少热导损失，30年代时出现双螺旋形灯丝的白炽灯。

充气并不能完全解决钨蒸发的问题，长期以来人们一直试图以某种方式使蒸发出来的钨重新回到灯丝上去。1959年试制成碘钨灯，初步实现了这一设想。在碘钨灯中，从灯丝蒸发出来的钨在泡壁附近与碘化合，生成一种易于挥发的碘钨化合物。当该化合物扩散到高温灯丝附近时，受热分解成碘和钨。释放出来的钨可返回到灯丝上，而碘又扩散到泡壁附近与钨化合。通过这一循环过程可以将蒸发出来的钨回输到灯丝上。现在其他的卤素和卤化物（特别是溴和溴化物）比碘使用得更为普遍。卤钨灯和普通白炽灯相比，不仅光效高、寿命长，而且体积小。

白炽灯使用极为方便，加之它的辐射光谱是连续的，显色性好(一般显色指数约为99)，因此迄今为止它仍是应用最广的一种光源。高色温的白炽灯的色温约 3200K，光效为30流明／瓦左右，主要用作电影、电视和舞台方面的照明光源。照明用白炽灯的色温为2400～2900K，光效为10～20流明／瓦。色温在2400K以下的是红外灯，主要用于红外加热、干燥等。

白炽灯的缺点是光效低。其主要原因是钨丝产生的辐射大部分位于人眼看不见的红外区。近年来在灯的泡壁上加红外反射膜，将红外辐射反射回来加以利用，以提高白炽灯光效的研究工作已获得成功，但与实际应用还有一段距离。另外，氟钨循环和能在可见区产生选择辐射的灯丝材料等，也都是白炽灯发展所面临的新的研究课题。

气体放电灯

除白炽灯外，作为照明用的光源主要还有低压汞荧光灯(简称荧光灯，俗称日光灯)、低压钠灯、高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯和氙灯等。这些光源都是通过气体放电而产生光。前两种是低气压放电灯，第三、第四和第五种是高强度放电(HID)灯，最后一种是高压惰性气体放电灯。

在大部分的气体放电灯内，发光的基本过程是三级式的：自由电子被加于电极之间的外电场加速；当运动的电子与气体原子碰撞时，电子的动能就转交给原子使其激发；受激原子是不稳定的，当它返回基态时，所吸收的能量以辐射发光的形式释放出来。自由电子不断被外电场加速，上述三级式过程也就不断在灯中进行。

气体放电灯具有负阻特性，必须串接合适的镇流器才能稳定工作。气体放电灯的工作电压为100伏量级，但启动时，有些灯需要加几千伏甚至上万伏的瞬时脉冲高压。惰性气体放电灯在启动后就能达到稳定的光输出。金属蒸气放电灯则通常需要有几分钟的加热时间才能逐渐达到全部光效。

气体放电灯有直流和交流之分。在直流灯中，阳极比阴级大很多；在交流灯中，两个电极是一样的。交流灯发光有闪烁现象，其光强度变化的频率为交流电流频率的二倍。对一般照明，这一效应影响不大。但用于有转动物体的场所时，必须考虑它的影响。

该灯于1938年研制成功。其典型结构如图1所示。当灯工作时，灯内汞蒸气压力很低，只有6×10-3托。在最佳的条件下，60％的电能被转变为 253.7纳米的紫外辐射。荧光粉再将这些紫外辐射转变为可见光。该灯的光效现可达80流明／瓦左右。由于它的光效比较高，光线又比较柔和，因而在室内照明中正被广泛采用。

荧光灯的光色因荧光粉而异。按光色分类，照明用的荧光灯主要有日光色（色温 6500K）、暧白色（色温2900K）和冷白色（色温4500K）等几种。荧光灯的显色性还不够理想（一般显色指数约50）。近年来研究成功三基色荧光灯，不仅光效高（约80流明／瓦），而且显色性好（显色指数≈80）。

荧光灯除管状的外，还有环形和“U”形的等。近年来，开发出紧凑型的荧光灯，镇流器等附件装在灯头内，可与白炽灯换用。

钠共振线 589.0纳米和 589.6纳米位于人眼视见函数最大值附近。低压钠蒸气放电可见辐射的发光效率约为 450流明／瓦。这一数值是十分有吸引力的。从20年代起就有人对钠蒸气放电进行研究。在研究成抗钠腐蚀的玻璃之后，1923年低压钠灯在实验室中诞生了。经过不断的改进，成为如图2所示的样子。

经过研究，低压钠蒸气放电最佳蒸气压为3×10-3托。这相当于 260℃时钠的饱和蒸气压。为了使放电管壁维持在这一最佳温度之下，外壳抽成真空，并用一涂以红外反射层（In2O3涂层）的套管围住放电管。

低压钠灯的光效可达 200流明／瓦左右，这是迄今为止光效最高的人造光源。但是由于它主要是发射黄色光，显色性很差。因此，它主要用于对光色要求不高的地方。

早在1906年就有人对高气压汞蒸气放电进行研究，后来W.埃伦巴斯等又对其进行了深入的探讨。研究发现，随着汞蒸气压力的升高，由于自吸收，253.7纳米共振辐射下降，但对应于发射可见光的汞原子的较高能级的激发增加。当汞蒸气压达到大气压量级时，汞蒸气放电有相当高的发光效率。最早的高压汞灯是用汞池作为电极，倾倒汞池使二电极接触起弧。到了30年代，由于采用激活电极，发展了钼箔与石英玻璃的封接工艺，在灯中充入惰性气体氩作为启动气体，遂使高压汞灯成为实用的照明光源。现在，典型的高压汞灯的结构如图3所示。

高压汞灯有较高的光效（约50流明／瓦），而且其发光体小，亮度较高，适合于室外照明和高大厂房、建筑物内的照明。但是它的光色偏蓝绿，缺少红色成分。为增加高压汞灯的红色成分，现常采用两种方法：

（1）在高压汞灯外壳内壁涂上适当的荧光粉，将灯的紫外辐射转变成红色光，这种灯称为高压水银荧光灯；

（2）用钨丝代替镇流器，并将它与高压汞灯的放电管一起封入外壳内，这就是自镇流高压汞灯。后一方法的优点是使用方便，缺点是整个灯的光效较低，只有30流明／瓦左右。

60年代初，耐高温抗钠腐蚀的材料──半透明的多晶氧化铝陶瓷管试制成功，高气压钠蒸气放电(HPS)灯也就应运而生。高压钠灯的整体结构如图4所示。

在高压钠灯中充以一定比例的钠汞齐和氙气。灯的发光效率取决于灯内钠和汞的分气压，也就是取决于电弧管的冷端温度和钠汞齐的组成。在高压钠灯中，钠的共振线(D线)自反。在最佳的气压条件下，即D线自反宽度约为10纳米时，高压钠灯的光效最高，约120流明／瓦。但这时灯的光色较差，颜色偏黄，色温约 2100K，显色指数为20左右。

提高钠蒸气压或增大放电管半径可以改善高压钠灯的光色。已试制出高显色性高压钠灯，其显色指数可达80左右。显色性改善后，光效虽损失不小，但仍然要比高压汞灯高。高显色性高压钠灯的出现，为扩展高压钠灯的应用范围创造了条件。

是将金属卤化物加入到高压汞放电中而制成的灯。这种灯诞生于60年代初。最初的目的只是为了改善高压汞灯的光色，后来的进展则大大超出了人们的期望，形成一种新的高强度放电灯。

充入所需要的金属元素卤化物主要有两个优点：

（1）大多数卤化物的蒸气压比元素自身的高得多；

（2）碱金属等活泼金属的卤化物在工作温度范围内不与石英玻璃发生化学反应。这样，在比高压汞灯略高的管壁温度下就能建立起各种所需金属元素的放电。像卤钨灯一样，在这种灯中，金属卤化物也不断在灯内循环。卤素原子的激发能级高于金属，因此辐射主要由金属原子产生。

现在，金属卤化物灯品种繁多，但就其光谱特性而言大致有以下几类：

（1）将在可见光的不同区域具有强线光谱的几种金属加在一起而得到的白色光源，最典型的例子是碘化钠-碘化铊-碘化铟灯；

（2）利用在可见区能发射大量密集线光谱的金属，得到类似日光的白光，碘化镝灯就是典型的例子；

（3）利用高气压的金属蒸气放电或利用分子发光产生连续辐射或带状光谱，超高压铟灯和氯化锡灯便是如此。

金属卤化物灯的光效约比高压汞灯高一倍，而且光色很好。可用于一般照明（如街道照明、室内照明等），也可用于特殊照明（如体育场照明）。

氙灯又有长弧氙灯和短弧氙灯之分。前者是高压氙放电灯，后者是超高压氙放电灯。氙原子的激发能级非常接近其电离能级，因此在氙气放电中，电弧温度很高，自由电子和正离子浓度很高，相应地复合发光和轫致辐射很强。氙灯的光谱主要是由连续光谱构成的。图5给出氙灯的光谱分布。不难看出，它的可见光谱与6000K的黑体十分接近。正是由于氙灯的光色酷似阳光，所以有“小太阳”之称。氙灯的显色性很好，其显色指数一般超过94。

通常长弧氙灯的功率都比较大，可作为码头、车站、广场、体育场等处的大面积照明光源。由于冷却水吸收了 1.4微米以上的红外辐射，故水冷长弧氙灯是一种冷日光色光源。它主要用于电视、电影照明和褪色试验等。大功率长弧氙灯达饱和电离状态，呈正阻特性，可以不必串镇流器。长弧氙灯的缺点是：光效比较低，约30流明／瓦。

短弧氙灯的发光体小，亮度很高，整个电弧的平均亮度可达105 熙提(＝105坎德拉／厘米2)。它的发光稳定，光色几乎不随工作条件而变。短弧氙灯主要用于电影放映，还可用于太阳模拟器、电弧成像炉等。

参考书目

1. 复旦大学电光源实验室编：《电光源原理》，上海人民出版社，上海，1977。
2. W.Elenbaas， Light Sources， Macmillan， London，1972.
3. John F. Waymouth， Electric Discharge Lamps， MIT Press， Cambridge， Mass.， 1971.

参考文章

• 道路照明光源如何选择?电气技术
• 民用建筑电气照明光源与灯具的一般规定?电气技术
• 民用建筑电气照明光源与灯具的一般规定有哪些?电气技术