輝光球的發(fā)光原理

陳海深

（廣西師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541004）

1 美麗、神奇的輝光球

圖1為直徑約15cm的高強(qiáng)度玻璃球內(nèi)中央有一個(gè)黑色球狀電極，球內(nèi)閃耀著大量如同火舌一般美麗的弧光，成均等的輻射狀向四周發(fā)射，極具神秘的夢(mèng)幻色彩.若用手撫摸球體或用手指輕觸玻璃球的表面，手指移到哪，燈里的光線就會(huì)聚焦到哪，明亮、彎曲、多色而且?guī)в蟹植娴募?xì)束帶使人賞心悅目，發(fā)出美麗、神奇的輝光.如果輝光球周?chē)幸魳?lè)或聲響（包括掌聲、咳嗽聲等）時(shí)，光束會(huì)隨著旋律和節(jié)奏不斷地改變，伴隨著一切聲音而散發(fā)出魔幻光線，極富動(dòng)感，使原本不均勻不穩(wěn)定的光束更加變幻無(wú)窮.如果在黑暗中，那將更加好看.

圖1 美麗、神奇的輝光球

2 輝光球主要結(jié)構(gòu)

圖2為輝光球的結(jié)構(gòu).下端同軸圓柱部分是用于引入激勵(lì)電源的天線.玻璃外球直徑從127－229mm可設(shè)計(jì)成系列.內(nèi)球直徑約20－40mm；工作氣體是以氖為基質(zhì)或以氦為基質(zhì)的混合氣體，摻入氦（或氖）、氬、氪、氙、氮?dú)狻錃獾绕渲械膸追N雜質(zhì)氣體，可配出不同的光色.球內(nèi)氣體壓強(qiáng)不同，所產(chǎn)生的輝光顏色也不同.

人有時(shí)用手觸摸，放電腔又是用玻璃制成，所以絕不允許放電腔內(nèi)的氣體處于正壓（超過(guò)1個(gè)大氣壓）的狀態(tài)，也不允許處于很大的負(fù)壓狀態(tài).放電腔內(nèi)總氣壓可用氣態(tài)方程計(jì)算

設(shè)該光源的工作溫度為0～50℃，在50℃時(shí)放電腔內(nèi)總壓強(qiáng)為100kPa，則0℃時(shí)為84.5kPa，若制燈工作室的環(huán)境溫度為20℃，則可算出充入放電腔的總氣壓為90.7kPa.

圖2 輝光球結(jié)構(gòu)

玻璃球中央有一個(gè)黑色球狀電極（另一個(gè)電極在無(wú)窮遠(yuǎn)的空間），球的底部有一塊振蕩環(huán)氧電路板，通過(guò)電源變換器將12V低壓直流電轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l高壓加在電極上，產(chǎn)生高頻電場(chǎng).圖3中電源天線的作用是把驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的高頻高壓輸入放電腔.彈性金屬絲球和導(dǎo)電層的作用是使激勵(lì)信號(hào)均勻分布于玻璃內(nèi)膽，使放電束在放電腔內(nèi)分布比較均勻.若放電腔中工作氣體是以氖為基質(zhì)，則滿(mǎn)足功率放電時(shí)發(fā)出成百上千條放電束.放電束的頂端為桔紅色花瓣，近內(nèi)膽處為桔紅色線條，中間為海藍(lán)色細(xì)線條.每條由高度收縮的流光放電產(chǎn)生的放電束在不斷舞動(dòng).

當(dāng)功率調(diào)節(jié)鈕調(diào)至最小狀態(tài)時(shí)，放電束兩端為桔紅，中間為海藍(lán)的短線.控制調(diào)節(jié)鈕，例如聲音控制，在聲頻（例如音樂(lè)）的激勵(lì)下，放電腔內(nèi)的放電束會(huì)發(fā)生多—少、長(zhǎng)—短變化，其聲—光效果美不勝收.電源有通斷和聲控、非聲控3檔選擇開(kāi)關(guān).

當(dāng)功率調(diào)節(jié)鈕處于較大狀態(tài)時(shí)，即在球中央的電極周?chē)纬梢粋€(gè)類(lèi)似于點(diǎn)電荷的場(chǎng)，由于球內(nèi)稀薄氣體（低氣壓氣體）受到高頻電場(chǎng)的電離作用而光芒四射.由于電極上電壓很高，故發(fā)出一些輻射狀的輝光，在黑暗中非常好看.當(dāng)用手（人與大地相連）輕輕觸摸玻璃球表面，人體即為另一電極，球周?chē)碾妶?chǎng)、電勢(shì)分布不再均勻?qū)ΨQ(chēng)，氣體分子在極間電場(chǎng)中激發(fā)、碰撞、電離、復(fù)合而發(fā)生輝光，輝光在手指的周?chē)幾兊酶鼮槊髁?，即放電束收縮聚合成一條掃動(dòng)的弧線順著手的觸摸移動(dòng)而游動(dòng)扭曲，隨“指”起舞.形態(tài)如夜空的閃電.

輝光球還內(nèi)置聲控功能，它能隨聲或樂(lè)曲的音律高低變化而改變光束.

輝光球激勵(lì)電源的驅(qū)動(dòng)電路由以下電路組成：

① 市電轉(zhuǎn)換電路：市電220V轉(zhuǎn)換成50V和12V；

② 振蕩電路：頻率為15～30kHz；

③高壓電路：將15～30kHz的高頻電壓升至8～20kV

④ 控制電路：聲控.

⑤ 調(diào)節(jié)電路：調(diào)節(jié)激勵(lì)功率、調(diào)節(jié)控制訊號(hào)強(qiáng)弱.

對(duì)于小尺寸的放電腔宜用高頻率低電壓驅(qū)動(dòng)；反之，大尺寸的放電腔宜用低頻率電壓驅(qū)動(dòng).

3 輝光球的發(fā)光原理

輝光球又稱(chēng)為閃光球、魔（光）球、電離子魔幻球、靜電離子球燈、等離子（體）光球，英文名：Plasma Light或glow lamp.等離子體是部分或完全電離的氣體，由大量自由電子和正離子以及中性原子、分子組成.等離子體在宏觀上是近似電中性的，即正電荷與負(fù)電荷幾乎處處相等.

普通的火花放電是一種斷續(xù)的放電現(xiàn)象，但當(dāng)高頻電場(chǎng)施加于特殊結(jié)構(gòu)的氣體放電腔時(shí)，斷續(xù)（又不斷產(chǎn)生）的火花放電可以形成準(zhǔn)連續(xù)放電.

高頻氣體放電的激發(fā)源有兩種：一種是用高頻電場(chǎng)（類(lèi)似回旋加速器中的高頻電場(chǎng)）直接激發(fā)，稱(chēng)為E型放電；另一種用高頻磁場(chǎng)激發(fā)，稱(chēng)為H型放電.輝光球?qū)儆诹鞴夥烹娫淼幕鸹ǚ烹姽庠?，高頻流光放電光源采用的E型方式激發(fā)放電.在交變電場(chǎng)E＝E0cosωt中，電場(chǎng)頻率和放電距離達(dá)到一定值時(shí)，振蕩的電子和離子碰撞氣體分子產(chǎn)生新的電子和離子.在足夠高的電場(chǎng)強(qiáng)度作用下，產(chǎn)生足夠多的電子和離子，使氣體完全擊穿.此時(shí)，氣體的擊穿與放電腔內(nèi)是否存在電極無(wú)關(guān)，于是可以把電極放置到放電腔外，形成高頻“無(wú)極”放電.

在直流或低頻放電中，燈的發(fā)光可以用湯生放電理論去描述，該理論是基于在陰極上的次級(jí)發(fā)射過(guò)程使電子雪崩逐漸發(fā)展起來(lái).而輝光球的光源，電極安置在放電腔之外，電極上的次級(jí)發(fā)射已不復(fù)存在，所以只有用流光放電理論予以解釋?zhuān)粗豢紤]單個(gè)電子雪崩的發(fā)展而形成氣體擊穿的機(jī)理.當(dāng)施加電場(chǎng)于氣體時(shí)，只要有1個(gè)電子（例如由宇宙射線電離所致）通過(guò)電場(chǎng)，這個(gè)電子受加速轟擊氣體分子產(chǎn)生雪崩引起了放電的迅速擴(kuò)展（擴(kuò)展過(guò)程比湯生放電快一個(gè)數(shù)量級(jí)），最終導(dǎo)致通過(guò)放電空間的流光出現(xiàn).

在通常情況下，氣體中的自由電荷極少，是良好的絕緣體.但在某些外界因素（如紫外線、X射線以及放射線的照射、氣體加熱或強(qiáng)電場(chǎng)等）的作用下，氣體分子可發(fā)生電離，氣體中出現(xiàn)電子和正離子，這時(shí)在外電場(chǎng)作用下，電子和正離子作定向漂移運(yùn)動(dòng)，氣體就導(dǎo)電（稱(chēng)為氣體放電）.通常把氣體放電分成兩種類(lèi)型：（1）被激導(dǎo)電.依靠外界作用維持氣體導(dǎo)電，且外界作用撤除后放電即停止.（2）自激導(dǎo)電.不依靠外界作用，在電場(chǎng)作用下能自己維持導(dǎo)電狀態(tài).

圖3 氣體的導(dǎo)電規(guī)律

氣體的導(dǎo)電規(guī)律如圖3所示.在充有氣體的密封玻璃管內(nèi)裝有兩個(gè)電極，把它們與電源的正負(fù)極相連，并逐漸增加電壓.當(dāng)電壓U較小時(shí)，電壓U與電流強(qiáng)度I的關(guān)系如圖3中曲線OA段所示，服從歐姆定律.當(dāng)U增加到曲線中的BC段時(shí)，電流達(dá)到飽和值.如果電壓繼續(xù)升高，電流又隨著電壓的升高而升高，即曲線的CD段.在這一階段中，因?yàn)殡娮优c正離子在分別向陽(yáng)極和陰極運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中獲得了較大的動(dòng)能，當(dāng)他們與中性分子碰撞時(shí)，足以使中性分子電離，從而產(chǎn)生出新的電子和離子.上述的導(dǎo)電過(guò)程都是必須依賴(lài)于外界的電離作用而維持的，屬于氣體被激導(dǎo)電.當(dāng)兩電極間的電壓進(jìn)一步增加到UD時(shí)，電流將突然增加，同時(shí)極間電壓突然下降，即曲線中的DE段.這是因?yàn)楫a(chǎn)生了雪崩式的碰撞電離.此時(shí)即使撤去外界的電力作用，導(dǎo)電過(guò)程仍然繼續(xù)進(jìn)行，屬于氣體的自激導(dǎo)電.

在氣體自激導(dǎo)電時(shí)，往往伴有發(fā)聲、發(fā)光等現(xiàn)象.當(dāng)氣體由被激導(dǎo)電過(guò)渡到自激導(dǎo)電時(shí)（氣體已被擊穿或已被點(diǎn)燃）.使氣體擊穿的最小電壓UD稱(chēng)為擊穿電壓.氣體擊穿后，由于氣體的性質(zhì)、壓強(qiáng)、電極的形狀和距離、外加電壓以及電源的功率的不同，而可能采取輝光放電、弧光放電、火花放電、電暈放電等不同的形式.其中，弧光放電、火花放電及電暈放電等是氣體在常壓下放電，而輝光放電（即輝光球發(fā)光）是低壓氣體（稀疏氣體）在高頻強(qiáng)電場(chǎng)中的放電現(xiàn)象.

圖4 輝光放電特性曲線

輝光放電是低壓氣體中伴有輝光出現(xiàn)的自激導(dǎo)電.在低壓（約133Pa）氣體放電管中，兩電極間電壓逐步增加，并控制電流的變化，氣體擊穿后將會(huì)出現(xiàn)如圖4所示的導(dǎo)電規(guī)律，BD段是輝光放電，其中BC段是“正常輝光放電”，CD段是“異常輝光放電”.在正常放電時(shí)，極間電壓幾乎不隨電流而變，在異常輝光放電時(shí)，極間電壓將隨電流的增加而增加.當(dāng)電流超過(guò)D點(diǎn)時(shí)，電壓會(huì)突然下降，這時(shí)便從輝光放電過(guò)渡到弧光放電（DE段）.

1 陳秉乾，舒幼生，胡望雨.電磁學(xué)專(zhuān)題研究［M］.北京：高等教育出版社，2001：374－375.

2 王妙康.高頻流光放電光源［J］.真空電子技術(shù)，1999（5）：48－50.

3 趙凱華，陳熙謀.新概念物理教程·電磁學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2003：309.