等離子體光源是如何工作的

文/ [美] 邁克·伍德 編譯/姚涵春

（1.上海戲劇學(xué)院，上海 200040）

等離子體光源是如何工作的

文/ [美] 邁克·伍德 編譯/姚涵春1

（1.上海戲劇學(xué)院，上海 200040）

闡述等離子體光源的結(jié)構(gòu)、工作原理，通過與其他光源的比較，分析等離子體光源用于照明燈具的優(yōu)勢與不足。

等離子體；光源；照明；光學(xué)結(jié)構(gòu)

近些年來，許多國家都在相關(guān)領(lǐng)域積極推進(jìn)高效、節(jié)能的工作，新光源的發(fā)展和提高現(xiàn)有光源性能等方面的科研工作取得了很大進(jìn)步。有關(guān)LED光源的研究可能是其中的突出事例，但是，還有其他新光源也受到業(yè)界的關(guān)注，如OLED（Organic Light Emitting Diode）和等離子體光源。同時，傳統(tǒng)的白熾光源和高強(qiáng)度氣體放電燈（High Intensity Discharge，簡稱HID）燈泡的光效也有了顯著的改進(jìn)。本文主要探討微波激勵的高效等離子體光源的工作原理。

目前，生產(chǎn)微波激勵高效等離子體光源的制造商至少有三家公司：Luxim、Tonanaga和Ceravision。在筆者撰寫本文之時，在美國演藝燈光產(chǎn)業(yè)銷售量最大的應(yīng)該是Luxim公司，所以，本文大多采用、參照該公司的技術(shù)資料。本文論述的主要內(nèi)容僅僅是等離子體光源工作的一般原理，據(jù)筆者理解，這三家制造商生產(chǎn)等離子體光源的基本理論是非常相似的。它們在特定的結(jié)構(gòu)、操作以及機(jī)密配料方面有些不同，這些不同是由它們獨特的器件本身體現(xiàn)出來的。目前，這項技術(shù)在應(yīng)用中尚無簡短的名稱，所以，筆者采用縮寫詞LEP作為涉及這個特殊技術(shù)的通用詞，并不涉及任何一家制造商。

1 什么是等離子體光源

等離子體光源有時被稱為LEP（Light Emitting Plasma）或HEP（High Efficiency Plasma）?！暗入x子體光源”的身影在過去也曾出現(xiàn)過，較早出現(xiàn)的是一種大玻璃球裝飾品，從中央小球延伸出來的燈絲發(fā)出縹緲的復(fù)色光。它們大多應(yīng)用于萬圣節(jié)（Halloween）前夕的裝飾品和科幻電影中，很少用于照明。20世紀(jì)90年代，一種等離子體光源出現(xiàn)，它的工作原理是應(yīng)用微波能量激勵封裝在25 mm直徑的球形石英玻殼內(nèi)的硫磺和氬氣。制造商花了幾年時間艱難地推廣應(yīng)用等離子體光源，令人欣喜的是，在廣義的建筑照明市場中取得了一些進(jìn)展。然而，很遺憾，它在商業(yè)上相當(dāng)不成功，在千禧年末幾乎行將消失。盡管近幾年在某些方面有了一點復(fù)蘇跡象，但是，這些都不是本文要探討的光源。當(dāng)今，應(yīng)用于某些演藝燈光產(chǎn)品中的高效光輻射的等離子體光源（LEP）與先前某些光源擁有相同的名稱，但那只是其最終結(jié)果相似而已。事實上，LEP光源的最新品種與HID燈也許有更多相似點，而我們早已將這些高強(qiáng)度氣體放電燈泡應(yīng)用于追光燈和電腦燈中。

那么，LEP為什么被叫作等離子體光源呢？雖然它們毋庸置疑地產(chǎn)生等離子體，但許多別的光源也產(chǎn)生等離子體，包括HID燈、霓虹燈、熒光燈，甚至還有碳弧燈。等離子體是描述物質(zhì)第四態(tài)的通用術(shù)語，是繼固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)之后的第四態(tài)物質(zhì)。它描述一種高溫、可導(dǎo)電、電離了的氣體。太陽、星星和燈光全是等離子體光源，所以，它是現(xiàn)存的最古老的照明形態(tài)——等離子體在極高溫度和具有高能時從基本粒子中激發(fā)出來的光輻射。

2 等離子體光源的工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)

通過比較HID光源和LEP光源，可以了解等離子體光源的結(jié)構(gòu)特點。

（1）共同點

兩種光源都采用石英泡殼，并且兩者都從石英密封泡殼內(nèi)形成的過熱氣體——等離子體輻射出光來。這兩種光源中的氣體都是各種稀土、金屬鹵化物和其他物質(zhì)的氣化物的混合體，選擇這些物質(zhì)的目的是將它們在等離子體狀態(tài)時輻射出來的光譜線及光輸出混合成一體。

（2）不同點

這兩種光源在構(gòu)成上的差異是等離子體形成的方法和途徑。

HID光源是通過封裝在燈泡泡殼內(nèi)的兩個電極之間高壓擊穿放電而產(chǎn)生等離子體；而LEP光源沒有電極，它借助高強(qiáng)度射頻（Radio Frequency ，簡稱RF）或微波場穿越燈泡而產(chǎn)生等離子體，在外加強(qiáng)電場的作用下，燈泡的小小空間內(nèi)形成了大量的熱量，溫度十分高，進(jìn)而引發(fā)各種化學(xué)物質(zhì)氣化，形成等離子體。

傳統(tǒng)HID燈泡采用的電極、密封物質(zhì)和伸入石英泡殼內(nèi)的支架構(gòu)成了自身的弱點，如果那些密封物質(zhì)被損毀，將導(dǎo)致整個燈泡最終失效。另外，要保持燈泡支架良好散熱，并遠(yuǎn)離熱源，石英泡殼就要做得很大。而對LEP光源來說，由于燈泡內(nèi)沒有電極，泡殼是連續(xù)、完整的密閉體，所以不會形成傳統(tǒng)HID燈泡那樣的薄弱點。因此，LEP光源的體積可以做得很小，并能在更高壓力下工作，同時還有助于擴(kuò)展光譜輻射的波段范圍。

圖1展示了典型的LEP光源組件，其中心裝置有一只微小的石英燈泡，在燈泡周邊圍有微波諧振腔和大容量的熱沉。圖2為石英泡殼，其中包含著氬氣、稀土及有利于這些物質(zhì)氣化的微量水銀的氣體混合物。圖3更詳細(xì)地展示了燈泡內(nèi)部正發(fā)生著什么。燈泡底部被密封后形成結(jié)實的燈柱，并將燈柱插立于諧振器中。泡殼沒有任意類型的電極，它被一個空心塊體或由氧化鋁陶瓷介電材料制成的圓盤所環(huán)繞，這種材料不透光，但可以通過微波，并構(gòu)成諧振腔。從RF驅(qū)動器通過同軸電纜或波導(dǎo)輸入微波，在空心塊體內(nèi)的內(nèi)反射具有引導(dǎo)和放大微波的能力，使其可形成持續(xù)、固定的波型。腔體被塑造成型（筆者以為，那種形狀是秘方的一部分），致使最強(qiáng)的場強(qiáng)聚集在石英泡殼的中央和四周，如圖4所示。

圖1 LEP光源組件

圖2 石英泡殼

圖3 燈光內(nèi)部系統(tǒng)圖

圖4 駐波模型

需要注意的是，在LEP燈中，用作微波的實際頻率不是決定性的，因為等離子體能在寬泛的頻率范圍內(nèi)被激勵。目前，商業(yè)化的LEP燈傾向于采用450 MHz和900 MHz的頻率以激勵等離子體，因為產(chǎn)生這些頻率的放大器很容易獲取，它們常應(yīng)用于手機(jī)和通信產(chǎn)業(yè)。隨著科技的發(fā)展，當(dāng)LEP燈制造商能夠生產(chǎn)出自己專用的放大器時，有可能采用更低些的頻率，因為在更低頻率時，RF放大器能取得更高的效率和性價比。

2.2 能量的傳播

從圖5 中可以看到RF能量傳播的仿真模型。紅色區(qū)域表示在陶瓷諧振器內(nèi)、燈泡泡殼內(nèi)及其四周是最大能量的集合部。還可以看見由黃、綠和藍(lán)色區(qū)域指示的遞減的光輻射狀況。在燈泡泡殼內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生的高場強(qiáng)將大量的能量注入到封閉的氣體中，將氣體加熱升溫，并非常迅速地將氣體電離。這個超熱的被電離氣體或等離子體，溫度約為6 000 K，在泡殼內(nèi)四處循環(huán)，由感應(yīng)電場所驅(qū)動，蒸發(fā)泡殼底部的金屬鹵化物。至此，泡殼內(nèi)擁有了電離了的氣體和金屬鹵化物的等離子體混合物，如圖6所示，等離子體以如同常規(guī)HID燈泡相同的方式輻射出可見光來。反射粉末被使用在燈泡泡殼上，可使輻射光向前發(fā)射，并從燈泡輻射出去。

圖5 微波場

2.3 利于散熱的形態(tài)

軸向電場分布和泡殼形狀使這種等離子體物質(zhì)易于保持成中心圓柱形體態(tài)，并與泡殼的內(nèi)壁相分離，這有利于泡殼的冷卻。圖6 表示氧化鋁陶瓷介質(zhì)起著另一個作用，即散熱器的作用，它將熱量抽離石英燈泡泡壁的四周，使其溫度保持在約1 100 K或更低。

制造商聲稱，LEP燈的這種電場形狀，冷卻泡壁的優(yōu)勢，沒有電極以及與之相關(guān)聯(lián)的、不可否認(rèn)有問題的燈泡支架等特點，使其具有優(yōu)于傳統(tǒng)HID金屬鹵化物燈的有利條件。電極進(jìn)入石英泡殼造成的密封破損和泡殼失透（高溫下形成的石英晶體在泡殼上產(chǎn)生常見的乳白色半透明的斑點），無疑是HID燈最常見的故障模式。

2.4 光譜輻射能量分布

圖6 等離子體形成

圖7 等離子體光源的光譜輻射分布

圖7顯示了筆者由裝置LEP光源的燈具測得的光譜輻射分布。這是光源輻射光穿越所有光學(xué)器件和透鏡之后的燈具輸出光的光譜輻射能量分布，它可能稍稍不同于裸光源的光譜分布。雖然它的波峰仍相當(dāng)?shù)亩喽?，但光譜幾乎是連續(xù)的，僅僅在420 nm和450 nm附近伴有缺失了的窄頻段。這個光譜分布給出了已發(fā)布的CRI為94。

2.5 RF泄漏的控制

我們已經(jīng)了解了微波在哪里輸入，輻射光又從哪里發(fā)射出來，然而，泄漏出來的少量微波又是怎樣的情況呢？它們有危害嗎？雖然大部分微波能量被制約于燈泡和陶瓷內(nèi)，但從圖5可以清楚地看見，有一些微波能量從燈泡前面泄漏出來，這必須在燈具設(shè)計中加以考慮。幸運(yùn)的是，這種高頻發(fā)射比較容易控制，而燈具制造商正以不同的方法加以解決。然而，對于任何采用LEP燈的制造商，微波輻射泄漏的控制和測量應(yīng)成為專門技術(shù)和燈具設(shè)計程序的一部分。大多數(shù)工程師至少已經(jīng)精通了設(shè)計中的電磁兼容（EMC），而這部分專門技術(shù)僅僅是這個基本原理的延伸和擴(kuò)展。

一種最容易控制RF泄漏的方法是將導(dǎo)電性能良好的金屬反射器與光源進(jìn)行嚴(yán)密的配置結(jié)合。如果這個反射器足夠長而又狹窄，如圖8所示，它將構(gòu)成一只有效的衰減器，并將微波泄漏降低到可接受的水平。演藝燈光設(shè)備制造商采用的另一項技術(shù)是使用TIR（Total Internal Reflection）透鏡，透鏡內(nèi)帶有嵌入式金屬絲網(wǎng)絡(luò)。

圖8 配置金屬發(fā)射器的RF衰減狀況

2.6 光學(xué)設(shè)計的利與弊

在光學(xué)方面，燈泡泡殼給光學(xué)設(shè)計師帶來了利與弊兩個方面的思考。主要好處是，光源非常小，有利于高效的光學(xué)設(shè)計；不利的地方在于，設(shè)計師無法接近燈泡泡殼后部的反射器以調(diào)控、利用光輻射，因而不得不在燈泡的前面做足這項集光工作。這與LED光源呈現(xiàn)的問題非常相似，可采取一些相同的解決方案，例如使用TIR透鏡。

LEP無疑擁有某些優(yōu)勢的高效光源，但是，在市場中起決定性作用的是它的壽命。制造商聲稱的長壽命還有待證實，LEP燈在其他各種新老光源中能否開拓出具有競爭優(yōu)勢的應(yīng)用市場，目前做出判斷還為時尚早。時間能證明一切，相信隨著我們對LEP的認(rèn)識逐漸深入，對其未來的應(yīng)用前景也會有更明確的評價。

注：圖1、圖2、圖5和圖8由Luxim Corporation提供。

（本文根據(jù)美國《PROTOCOL》雜志2010年夏季刊同名文章編譯。）

（編輯 張 淼）

How do Plasma Lamps Work

Original / [USA] Mike Wood Translate / YAO Han-chun1
(1. Shanghai Theatre Academy China, Shanghai 200040, China）

Lighting structure and working mechanism of plasma light source were expounded. Meanwhile, its advantages and disadvantages when used as lighting was presented compared with other lighting types.

plasma; lighting source; lighting; optical construction

10.3969/j.issn.1674-8239.2011.2.002