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稀有氣體在電光源照明中的應(yīng)用

2011-10-28 13:35:21

稀有氣體因其在自然界中量少而得名，主要包括氦（He）、氖（Ne）、氬（Ar）、氪（Kr）、氙（Xe）、氡（Rn）六種氣體，其中氡是放射性元素，故除了作為科研測漏之外，工業(yè)生產(chǎn)中尚未得到廣泛的應(yīng)用。稀有氣體是元素周期表中的第八族元素（或零族），原子最外層軌道上已被電子充滿，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，通常不與其他物質(zhì)反應(yīng)，性質(zhì)不活潑，故稱為惰性氣體。

與其他氣體相比，稀有氣體都是單原子分子，這是它們的一個特點(diǎn)，也是由于它們的“惰性”所決定的。盡管如此，按照元素周期表的規(guī)律，自上而下，隨著原子序數(shù)的遞增，它們相互間的惰性也是有差異的。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在一定條件下，氙可以與氟相互作用生成三氟化氙。因此，所謂的惰性也是相對的，要具體分析，當(dāng)然，從總體上說，稀有氣體還是屬于化學(xué)性質(zhì)極不活潑的一類氣體。

物理性質(zhì)	He	Ne	Ar	Kr	Xe	Rn
原子半徑（10^-16m）	2.7	2.8	3.43	3.5	4.05	--
氣態(tài)顏色	無色	無色	無色	無色	無色	無色
輝光放電時顏色	黃色	紅色	紅或藍(lán)	黃綠色	藍(lán)綠色	--
密度（1 atm,21.1⁰C）kg/m³	0.165	0.83536	1.65	3.479	5.472	9.73
熱容量（25⁰C）	20.81592	20.81592	20.81592	20.81592	20.81592	20.81592
熱容商（0~20⁰C）	1.63	1.642	1.657	1.689	1.666	--
折光指數(shù)（389nm，1atm,0⁰C）	1.000033	1.000067	1.000284	1.000427	1.000702	--
粘度（1atm,20⁰C)	190.14	313.81	222.86	249.55	227.40	229.00
沸點(diǎn)（1atm)	-268.935	-240.08	-185.88	-153.35	-108.10	-62

在電光源生產(chǎn)中，稀有氣體是不可缺少的重要材料，幾乎所有的燈內(nèi)都要充入一種或幾種稀有氣體，它們或作為發(fā)光物質(zhì)產(chǎn)生輻射，或用作填充氣體延長燈的壽命等等。

氬（Ar）是首先被用來充入白熾燈內(nèi)作為填充氣體的，由于抑制了鎢的蒸發(fā)，同時降低鎢絲的氧化，可使燈絲工作的溫度提高，從而獲得比真空泡更高的發(fā)光效率和壽命。

氖（Ne) 充入氖氣的燈會射出紅光，除作為儀表盤指示燈的填充氣體外，在空氣里透射力很強(qiáng)，可以穿過濃霧。因此，氖燈也常用在機(jī)場、港口、水陸交通線的燈標(biāo)上。氖還用于充填螢光燈、水銀燈、鈉蒸氣燈及電壓保護(hù)裝置的燈泡等。近年來，氖還被用于研究基本粒子軌跡的火花室中作充填介質(zhì)。

氪氣（Kr）比氬氣有更高的密度和低的導(dǎo)熱系數(shù)，因此將氪、氙氣體充入白熾燈內(nèi)有更好的效果。氪氙混合氣充填電子管和燈泡，比相同功率的氬氣燈泡省電20～25%，壽命可延長2～3倍，發(fā)光率可以提高，而體積可大大縮小。當(dāng)然，考慮到成本，氙氣還是用得很少，氪氣則已被大量用在高光效，高質(zhì)量的鹵鎢燈中。氪氣可充填高級電子管，實(shí)驗(yàn)室用的連續(xù)紫外光燈。測量宇宙輻射時用氪來充填游離室，還可以用于制成不需要電能的原子燈，與氘氣制成的氘燈類似，可以在一些特殊工作場所，例如礦井內(nèi)的使用，避免瓦斯接觸電源而容易發(fā)生爆炸坍塌。氪燈的透射率特別高，因而可用于夜戰(zhàn)中越野戰(zhàn)車上的燈光。

氙氣（Xe)原子量比氪氣更大，氙氣除了作為高光效鹵素?zé)籼畛錃怏w外，還可以用作高壓鈉燈、HID汽車氙燈、電影放映燈、半導(dǎo)體光刻泵浦氙燈，電子閃光燈。氙燈還具有高度的紫外光輻射，可用于醫(yī)療技術(shù)方面。

所有類型的氣體放電燈，都要充入各種稀有氣體。在熒光燈、高壓汞燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈中，除汞以外，都還要充入一定的氬氣或氪氣，利用“潘寧效應(yīng)”幫助燈啟動，使燈在合適的電壓下工作以及抑制電子粉的蒸發(fā)和減少汞離子對陰極的轟擊濺射。

在冷陰極發(fā)光信號燈和霓虹燈中，充入氬、氖、氦等氣體，采用透明的玻璃管就能產(chǎn)生相應(yīng)氣體輻射的各種彩色光譜來。輝光放電是低氣壓下的氣體放電。放電管中的殘余正離子在極間電場的作用下被加速，于是得到足夠的動能撞擊陰極而產(chǎn)生二次電子，經(jīng)簇射過程產(chǎn)生更多的帶電粒子，使得氣體導(dǎo)電。因此放電管兩極間所需電壓較高，一般都在10千伏以上，但輝光放電的電流很小，溫度不高。利用各種惰性氣體或者混合氣體放電發(fā)光，可以制成各種光譜的霓虹燈。

同時，氦、氖、氬、氪、氙也是深紫外準(zhǔn)分子激光的重要激發(fā)源。

表一，稀有氣體在電光源中的應(yīng)用

稀有氣體	主要用途
Ar	1、用作白熾燈的填充氣體，以抑制熾熱鎢絲的揮發(fā)，延長燈的壽命； 2、填充在熒光燈中，幫助啟動，保護(hù)電極免受汞離子的沖擊，同時延緩陰極上金屬的蒸發(fā)； 3、充入冷陰極放電管中，可獲得淡藍(lán)色的發(fā)光； 4、在高壓汞燈和金屬鹵化物燈中起啟動和緩沖作用； 5、在微波激發(fā)下發(fā)射真空紫外譜線（104.8nm和106.7nm），用作光化學(xué)反應(yīng)源。
Ne	1、與Ar混合組成潘寧氣體，充填在熒光燈中，可降低燈的啟動電壓； 2、充于冷陰極放電管中，可獲得橙紅色的發(fā)光，用作指示燈； 3、在微波激發(fā)下，發(fā)射單色的真空紫外譜線（74.4nm和73.6nm）。
Xe	1、充入HID氙燈中，在啟動后立即獲得全部光輸出的80%，放電時發(fā)射白光，色溫5500K； 2、可制成鹵素混合氣體填充鹵素?zé)簦?/span> 3、在微波激發(fā)下，發(fā)射單色的真空紫外譜線（14.7nm）。
Kr	1、與Ar混合，充填在熒光燈中，可提高光效，但啟動困難； 2、可制成鹵素混合氣體填充鹵素?zé)簦?/span> 3、氪85同位素氣體可填充入金屬鹵化物燈，幫助啟動； 4、在微波激發(fā)下，發(fā)射單色的真空紫外譜線（123.6nm和116.5nm）。
He	1、與其它惰性氣體混合用于大功率熒光燈中； 2、在微波激發(fā)下，發(fā)射單色的真空紫外譜線（58.4nm）。

用氙氣做成氙燈，則能發(fā)出近似日光的密集光譜用于放映和照明。稀有氣體除作為燈內(nèi)的工作物質(zhì)外，氬氣也常作為電光源生產(chǎn)工藝中的保護(hù)氣體使用。

表二，冷陰極放電管中各種稀有氣體在放電時呈現(xiàn)的顏色

發(fā)光管顏色	氣體或混合氣體	充氣壓力（kPa）	水銀	玻璃顏色
深紅	Ne	0.8~1.6	無	軟紅
紅	Ne	0.8~1.6	無	無色
橙紅	Ne	0.8~1.6	無	軟黃
金黃	He或He-Ar	0.4~0.8	無	軟黃
亮黃	Ar,Ne-Ar或Ne-He-Ar	0.8~1.6	無	軟黃
中綠	Ar,Ne-Ar或Ne-He-Ar	0.8~1.6	有	白
暗綠	Ar,Ne-Ar或Ne-He-Ar	0.8~1.6	有	軟黃
藍(lán)	Ar,Ne-Ar或Ne-He-Ar	0.8~1.6	有	無色
中藍(lán)	Ar,Ne-Ar或Ne-He-Ar	0.8~1.6	有	軟藍(lán)
淡藍(lán)	Ar,Ne-Ar或Ne-He-Ar	0.8~1.6	有	暗紫
紫	Ne-Ar	0.8~1.6	無	無色
紫紅	Ne	0.8~1.6	無	暗紫
白色（帶黃）	He	0.4~0.8	無	乳白或無色