汞燈輻射性能研究

楊小虎

摘要： 針對實驗室中最常用的汞燈光源，分析了影響其高精度應用的影響因素。通過構建實驗系統(tǒng)逐一驗證了以上影響因素，得出了汞燈輻射譜線強度隨溫度降低而減小以及汞燈輻射強度隨時間的變化規(guī)律，從而為后續(xù)汞燈應用提出了具體的要求。

關鍵詞： 汞燈；輻射強度；溫度

中圖分類號：TP706 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）31-0163-02

1 引言

汞燈，因其從真空紫外波段到近紅外波段都具有較高強度的離散線譜，該特點使其成為地面及在軌儀器設備波長定標的最常用設備。因此，掌握汞燈的輻射特性，并力求讓其工作在正確的使用條件下，顯得尤為重要。

2汞燈簡介

汞燈，是利用汞原子被激發(fā)產生能級躍遷從而向外輻射汞的特征譜線，進而達到發(fā)光目的的電光源[1]。按汞燈內汞蒸氣氣壓可分為低壓汞燈、高壓汞燈和超高壓汞燈。實驗室內一般選用低壓汞燈，其輻射能量主要集中在紫外以及可見波段[2]。汞燈譜線很多，但能量較強的、可供儀器設備探測和區(qū)分的，通常有10條，如表1所示。

表1 汞燈常用特征譜線及相對強度

[波長＼&相對強度＼&波長＼&相對強度＼&253.652＼&15000＼&435.834＼&4000＼&296.728＼&1200＼&546.075＼&1100＼&365.016＼&2800＼&576.960＼&240＼&404.657＼&1800＼&579.066＼&280＼&407.784＼&150＼&671.643＼&160＼&]

3 實驗過程

為了找出汞燈發(fā)出的離散線譜強度隨溫度的變化關系，以及汞燈在低溫條件下的啟動狀態(tài)，構建一套實驗裝置如圖1所示。圖1中，汞燈經光纖照明儀器入縫處的毛玻璃，儀器為一臺高精度光譜儀，帶寬為1nm。

圖1 汞燈測試示意圖

汞燈由直流穩(wěn)流電源供電，工作電流6.1mA，開路觸發(fā)電壓約2500V，電路如圖2所示。一電壓表與汞燈電源輸出端并聯(lián)監(jiān)測汞燈工作電壓，另一電壓表通過監(jiān)測0.1歐標準電阻上的電壓監(jiān)測汞燈工作電流；將汞燈置于高低溫箱內，其溫度受高低溫箱控制，而儀器在高低溫箱外部，溫度保持不變。

圖2 汞燈電壓及電流監(jiān)測電路原理圖

高低溫箱控制汞燈工作溫度從-20°C變化到40°C，每隔10°C等待溫度平衡后，進行光譜掃描測量，給出紫外波段三條譜線253.652nm、296.728nm和365.016nm的譜線峰值強度。

4 實驗結果及數(shù)據(jù)處理

汞燈三條特征譜線相對強度隨溫度的變化如表2所示。三離散線譜在不同溫度下的光強歸一化值如圖3所示。由表2及圖3可知，汞燈輸出譜線強度均隨溫度降低而變弱，因而汞燈不能在溫度很低的環(huán)境下使用。

表2 汞燈三條特征譜線相對強度隨溫度的變化

[溫度（℃）＼&40＼&30＼&20＼&10＼&0＼&-10＼&-20＼&253.652nm＼&1＼&89.6＼&49.6＼&48.68＼&20.48＼&11.28＼&5＼&1.684＼&2＼&78.8＼&50.9＼&37.34＼&23.84＼&12.94＼&7.598＼&1.76＼&3＼&88.9＼&57.54＼&37.86＼&23.74＼&12.06＼&7.242＼&1.972＼&AVE253.652＼&85.767＼&52.68＼&41.293＼&22.687＼&12.093＼&6.613＼&1.805＼&歸一化＼&1＼&0.614＼&0.481＼&0.265＼&0.141＼&0.077＼&0.021＼&296.728nm＼&1＼&0.936＼&0.543＼&0.434＼&0.266＼&0.168＼&/＼&/＼&2＼&0.692＼&0.589＼&0.463＼&0.256＼&0.14＼&/＼&/＼&3＼&0.684＼&0.588＼&0.418＼&0.25＼&0.143＼&/＼&/＼&AVE296.728＼&0.771＼&0.573＼&0.438＼&0.257＼&0.15＼&/＼&/＼&歸一化＼&1＼&0.744＼&0.569＼&0.333＼&0.195＼&/＼&/＼&365.016nm＼&1＼&23.5＼&14.12＼&12.16＼&6.122＼&3.908＼&2.19＼&/＼&2＼&19.5＼&15.96＼&13.14＼&6.736＼&3.396＼&2.552＼&/＼&3＼&21＼&16.14＼&11.62＼&5.884＼&4.156＼&2.641＼&/＼&AVE365.016＼&21.333＼&15.407＼&12.307＼&6.247＼&3.82＼&2.461＼&/＼&歸一化＼&1＼&0.722＼&0.577＼&0.293＼&0.179＼&0.115＼&/＼&]

圖3 汞燈三條離散譜強度隨溫度的變化歸一圖

此外，由電壓表監(jiān)測的汞燈工作電壓隨溫度的變化曲線如圖4?？梢姡?10℃以上，溫度越低，汞燈工作電壓越大，當溫度低于-10℃時，汞燈工作電壓驟然下降，汞燈較弱的譜線已不能探測。

圖4 汞燈工作電壓隨溫度的變化曲線

圖5給出了汞燈在-20℃低溫下253.652nm隨時間的變化趨勢，可見，在固定溫度下，汞燈譜線強度先隨時間增加而增強，經過3～5分鐘左右其輸出譜線強度逐漸趨于平衡，因而汞燈在用于定標時最好先經過5～10分鐘預熱。

圖5 汞燈-20℃低溫下253.652nm譜線隨時間的變化趨勢

5 結論

本文針對汞燈的幾條特征譜線隨溫度的變化關系，得出了汞燈工作的基本規(guī)律。汞燈輸出譜線隨溫度的降低，其強度也變小，因而低溫下汞燈譜線會變弱變少。此外，汞燈在某一固定溫度下工作，輸出譜線強度明顯有一個不穩(wěn)定狀態(tài)，需要5～10分鐘左右的預熱。汞燈輻射特性的研究也為后續(xù)汞燈的正確使用提出了參考。

參考文獻：

[1] 低壓汞燈的原理，中國百科網(wǎng)，www.chinabaike.com

[2] 賈紅輝，尹紅偉，邵錚錚，等. 低壓汞燈輻射禁錮效應的實驗研究[J]. 太學物理實驗，2008，21，（9）：69-71.

[3] 楊正名，柴國生，宋煒，等. 低氣壓汞燈紫外輻射的物理模型[J]. 照明工程學報，2004（2）.