氙灯的工作原理

    氙灯属气体放电灯中弧光放电一类, 为了便于讲述氙灯的放电机理, 我们先阐述气体放电过程。

    我们可以通过改变图 1 中 V0 来测量不同放电电流时灯的电压, 从而得到图 2 所示的伏-安特性曲

线, 现将其原理叙述如下。

    由于宇宙中的射线或外界存在电磁场等因素,在灯管 L 中存在着带电粒子, 我们称之为剩余电离。当灯管两端加上一个电压后, 在电场的作用下,这些带电粒子向电极运动形成电流 , 随着电场的增加, 电流会随之增大, 形成图 2 所示的0A段。当电场进一步增强时, 此时所有剩余电离的带电粒子全部到达电极时 , 电流就饱和了, 形成图 2 所示的AB 段。若再升高 V0 , 则电场将加速初始的带电粒子的速度, 它与中性原子碰撞形成更多的带电粒子 ,这一过程使电子数量雪崩似地增加 , 形成了 BC 段 ,此段称之为雪崩放电 (也称之为繁流放电)。由于雪崩过程使灯管的电流很快增至 D 点, 此时灯电压随即迅速下降 , 同时管内产生可见的辉光 , 形成 DE段 。我们将 C 点称之为气体放电的着火点或破裂点 , 此时相对应的电压值 Vz 称之为着火电压 。灯管点火时需要满足以下条件:

γ(e ∫d0αdx - 1) =1

    式中 d 是阴极和阳极之间距离, α为一个电子沿着阴极到阳极方向运动单位路程时与气体原子碰撞所产生的电离次数, γ为一个正离子轰击阴极表面时从阴极逸出的次级电子数。那么, 上式的物理概念十分清楚, 即阴极发出一个电子, 这个电子在到达阳极的过程中共产生 (e ∫d0αdx - 1) 次电离碰撞 , 因而产生正离子, 这些正离子打到阴极后将产生 γ(e ∫d0αdx - 1) 个二次电子, 而这些二次电子数目仍为 1 , 这样放电当然就能自我维持, 为此我们将 C 点以后的放电称为自持放电。EF段, 不论增加 V0 还是减小回路电阻 R , 使电流增加 , 但管压基本不变 , 我们称之为正常辉光放电 , 此时管压不变的原因是在这个范围内阴极并没有全部用于发射 (用于发射的面积正比于电流), 要增加电流, 扩大阴极发射面积即可。当整个阴极面都参与发射(对应于 F 点) 之后, 如果还需要继续增大电流的话, 必须增加 V0 造成管压上升 , 这样就进入异常辉光放电 FG 段。其后如果再要放电电流增加, 由于电极温度升高, 转入热电子发射 , 特性又一次发生突变, 管压大幅度降低, 电流迅速增加, 形成了弧光放电的G H 段。

    氙灯工作于气体放电伏-安特性曲线的弧光放电段, 其放电过程阐述如下 :当氙灯接于图 3 所示的电路后, 由于灯内充有数个大气压的氙气, 其着火电压很高 , 加于灯管两端的电压不足以使氙灯放电。当启动电路上的触发器 T 时 , 它产生一个高频 (3. 5 ～ 5. 5M Hz)、 高压(30 ～ 55KV) 加于灯管两端, 使灯管内氙气击穿导电。在阴 、阳极之间产生明亮的火花线 , 很快加热阴极极尖, 使其温度急剧上升 , 产生热电子发射,在此同时氙气原子被大量的带电粒子碰撞, 产生激发、电离, 这样使氙灯极快进入了弧光放电。在灯管两端所加的电源 u 的维持下 , 氙灯正常点燃。

    点燃后 , 大量被激发的原子从基态跃迁至激发态 , 从低能级的激发态跃迁至高能级的激发态, 但受激原子是处于不稳定状态 , 一定要返回原子原处的能级 , 在返回原态时将被激发时所吸收的能量以光辐射的形式释放, 从而产生了如图 4 所示的特征光谱。由于上述过程中被激发的氙原子在高能级间的跃迁的比例很大, 为此在可见区范围内产生的光谱是与日光很相似的连续光谱。

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