随着繁多的光源产品在各领域的广泛应用,人们期待有一种既具有太阳一样的良好显色性,又有很高发光效率的新型光源 .短弧氙灯的出现, 在理想光源的进程中迈进了一大步 .短弧氙灯的发展十分迅速.1948 年联邦德国奥斯朗公司开始研制,并于 1951 年出售了该种产品.1954年,在联帮德国举行的科隆世界照相和电影博览会上 ,蔡司 -依康公司展出了世界上第一个球形短弧氙灯 ,接着世界各地相继研制生产 .短弧氙灯具有许多优点:1)亮度高,平均亮度是白炽灯的 100 倍,峰值亮度已超过太阳;2)辐射光谱接近日光,色温 5000 ～ 6000 K ,显色指数达 94以上,不随工作电流和工作时间变化;3)可瞬时启动,在启动后2 min 内,即可获得全光通量输出.它是较为理想的点光源,可用于各种投光装置.

1 氙灯的发光原理
氙灯发光属惰性气体放电发光 .惰性气体的共振辐射波长很短, 在高气压 、超高气压下,惰性气体的原子被激发到更高的能级并大量电离 ,氙气放电的光谱与日光最为接近 ,氙灯的辐射是连续的,在可见区, 它与 6200 K 的黑体辐射接近,氙灯的强线辐射集中在 800 ～ 1000 nm 的近红外区 , 超高压短弧氙灯在高强度直流电流作用下 ,使气体等离子体放电产生电磁辐射 .为了提高短弧氙灯的亮度,工作时氙气的气压必须在超高压(810 .6 ～ 4053 kPa)范围内.当电流密度很大 ,压力很高时 ,在紫外和可见光范围内 ,具有连续辐射光谱的特征, 在近红外光谱范围内, 则具有线状光谱的特点,其辐射功率在光谱范围的分布为 0 .2 ～ 0 .25 μm 内占0 .22 %,在 0 .25 ～ 0 .75μm 内占 33 .3 %, 在0 .75 ～ 2 .2 μm 内占 66 .3 %.

2 短弧氙灯的设计及典型工艺
提高超高压短弧氙灯的辐射输出的途径之一就是增加比功率.但当灯工作在连续点燃状态时 ,灯上将产生较大的附加热负载, 会缩短灯的使用寿命.要增加放电辐射又不增加热负载,可以使灯工作在放电电流调制状态 .电流调制状态是指用一定的频率 、占空比和调制深度的周期性脉冲电流给灯供电 ,而这时灯的平均功率仍然是连续点燃状态的功率水平[ 1] .
2.1 调制频率范围
当灯工作在调制状态时, 灯中周期地改变放电气体的温度, 这时产生一种从放电体向泡壳传播的声波 ,当从放电体传出的波与从泡壳壁反射的波重叠时 , 即产生声谐振驻波, 发生电弧起伏不稳 ,因而使工作不稳定甚至熄灭.这样得到的最低熄弧频率叫灯的谐振频率 .为了保证灯在调制状态下稳定工作, 应正确确定灯的频率特性 .图 1 ～ 图 3 为充气体的压力 、泡壳直径、电极间距离与灯最低熄弧频率的关系曲线 .氙灯的共振频率值取决于泡壳的直径 、所充气体的压力及极间距离.
2.2 灯的结构与制作
保证高的辐射性能的结构参数(亮度、发光弧度)和在调制状态下稳定工作及长寿命的总体要求中, 各因素是相互矛盾的 .如为保证发光体有高亮度 ,就要求把阴极的放电末端制成尖锐形状,同时极间距离要小,与此同时, 由于电极的烧损又会使灯的寿命缩短 ;减小泡壳直径 ,能大大提高电流调制状态下灯的不稳定频率, 但减小泡壳直径而不降低加热平均功率 , 会导致泡壳发热,缩短灯的寿命甚至可能使灯炸裂.
2 .2 .1 电极形状选择的条件
阴极形状的确定是在调制状态下寿命达到规定要求时,保证有较高的光强指标及在工作期间亮度降低最小的设计原则.阴极材料选用电子发射能力强的电极材料, 一端制成锥形 .阳极结构(直径和间槽尺寸)保证它在机械载荷作用下灯的稳定工作和阳极的损耗最小 .阳极用耐高温 、耐轰击的钨材料 ,对着放电的一端具有半球形,随着功率的加大 ,阳极尺寸也增大,为了增加冷却表面,把阳极做成沟槽状.
2 .2 .2 泡壳
泡壳是能透过光辐射的密封外壳.主要作用是绝缘介质 ,对其里面进行的放电与外界进行隔离 ,在结构上起灯的骨架作用, 决定了电极和连接元件的相对位置,同时在特殊情况下还完成光学滤波的作用.
泡壳的尺寸和形状由灯工作时要求的温度状态及由泡壳过热和充填气体受热产生的高压所产生的机械应力决定.实际上广泛采用比较简单的泡壳表面负载来确定泡壳尺寸 .为使整个灯的温度分布较均匀,短弧氙灯采用椭球形泡壳 .为确保可靠性 ,还要进行泡壳的应力计算,可简化用球形泡壳来近似椭球形泡壳计算:灯的石英零件包括泡壳、排气管、芯柱和气泡,将石英管材按通用工艺在清洁火焰中加热制造的.
2 .2 .3 灯的封接与排气
在给灯排气和充入氙气前 ,要用泡壳体积测量装置精确测量泡壳内腔的容积.充气用附加专用气瓶进行 .先对附加容积充气压力达定值, 然后使附加容积里的全部气体凝集到灯里 ,并在该状态下将灯与真空系统封离.
2 .2 .4 灯的插脚排列
对定向反射的要求、使灯的放电发光体准确地固定在光学系统的焦点上,可借助显微镜进行.

3 短弧氙灯的应用
3.1 模拟光源
现代培养飞机、火车及汽车驾驶员需要提供一个能产生酷似客观环境的室内模拟训练系统,短弧氙灯的应用不仅节约了训练的经费开支 ,而且还使训练不受气候条件的影响, 既加速了培训飞行员、驾驶员的过程, 又免除了机械设备的无端损耗.此外, 这类光源还可成为航天器辐照试验的太阳模拟器的心脏元件.人造卫星 、宇宙飞船进入宇宙后, 许多元件因日光照射会受到老化威胁 ,为避免由于元件老化造成整个装置功能的失效 ,设计了应用短弧氙灯的太阳模拟器 ,它可以模拟各种试验条件 .
3.2 电影放映光源
放映电影的光源过去一直使用碳弧光源 ,由于它的不稳定性, 工作时需不断调节碳棒的损耗,而且它还散发出有剧毒的氰气 .20 世纪 70年代以来, 逐步推广使用氙灯作为放映光源.由于短弧氙灯亮度高、显色性好 ,聚光性能优良 ,使用氙灯放映电影具有发光稳定, 光色柔和 ,人物形象层次清晰, 彩色还原逼真 ,操作方便等优点,同时它还可减轻劳动强度 .合理的反光镜设计可使它的光亮度超过碳弧光源.因此用短弧氙灯作为电影放映光源是非常方便、适用的.
3.3 医用光源
血卟啉光敏疗法诊治癌症是 20 世纪 70 年代在美国兴起, 20 世纪80 年代在我国逐步开展起来的一项新技术.密封短弧氙灯在波长 600 ～ 650 nm之间有较丰富的连续光谱,可使癌细胞内的血卟啉生物(HPD)变为活性分子,去杀死癌细胞.此外,该灯特有的聚光作用还可将光束会聚成直径 15 mm的焦斑,焦斑处的功率密度大于 250 mW/ cm2,这样就能产生足够的杀伤力消灭癌细胞,为人类与癌症进行斗争提供了一种有效的工具.
3 .4 鉴色光源
短弧氙灯能模拟日出后2 h 至日落前2 h 的自然光条件 ,其光谱能量分布、颜色 、照度等数据都符合 CIE 国际照明学会规定的标准.用该光源鉴色 ,比白炽灯等辨色效率提高 0 .5 ～ 1 级 .由于其谱线中还含有一定成分的紫外光,因而对萤光色的分辨率也更高了 .此外, 它还可用于染料的鉴色 、油漆生产、棉花等级鉴别.
3 .5 红外应用光源
近年来 ,短弧氙灯在红外应用技术方面有了较大的发展 ,特别是调制型红外辐射源在光电技术领域有了新的用武之地 .氙灯在 0 .7 -2 .2 μm范围的辐射占其总辐射的 60 %以上 , 强线辐射集中在 1 μm 左右的近红外区, 氙灯启动性能好 ,氙灯在点燃瞬间就有 80 %能量输出 ,一开机即可达到峰值输出, 也很容易实现信号的调制.发光点可以制作的很小 ,而且定位精度高, 易于实现定向反射.

4 结 束 语
短弧氙灯是一种理想的聚光光源,它可用作舞台追光灯 、军用探照灯和光学实验中理想的点光源等 ,利用它将光能高度会聚而产生高热的特点 ,可以用它在红外加热成像炉中熔炼难熔金属和材料 .短弧氙灯以独特的优点对其相关产品开发 、研究和应用十分有利, 随着科技事业发展 ,它将会有一个更为广泛的应用前景.

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