無極放電

無極放電是指放電中沒有內置電極，使放電腔可以採用單種材料密閉而成。

基本介紹

• 中文名：無極放電
• 外文名：electrodeless discharge
• 特點：放電中沒有內置電極
• 發現者：Hittorf 
• 成品：照明概念燈

簡介

無極放電最早由Hittorf發現，隨後Thomson作了更完整的研究，Tesla首先採用無極放電原理設計了照明概念燈。隨後20世紀末半導體技術的突飛猛進制造性能可靠、價格低廉的鎮流器成為可能，無極放電光源的研究得到深入的開展，在過去20年，超過500項無極燈專利得到批准，多種產品面世並表現出巨大的潛力。無極放電光源既可以是高氣壓放電，也可以是低氣壓放電，根據發展情況，無極放電光源可以有以下四種類型。

1.感應放電；

2.容性放電；

3.微波放電；

4.行波放電。

無極放電光源的發展

無極放電是未來光源發展的一個重要方向，將首先介紹無極放電的四個可能的放電類型及其基本原理，然後對成熟的無極光源產品進行討論，最後對各种放電機理未來發展趨勢進行展望。

感應放電

感應放電有時候也稱為H型放電，在這樣的放電中電漿產生閉合的電流可以看作變壓器的次級線圈，而初級線圈可以是放在電漿中間或者在電漿的周圍。只要提供足夠的功率來維持H型放電，它可以在比較低的頻率下就得到足夠的禍合效率，因此可以得到比較理想的發光效率。在實際的研究中還發現，這樣的設計相對 比較簡單，而且電磁干擾比較小，另外可以採用相對較低的頻率，所以鎮流器的電子元件成本可以降低。

容性放電

容性放電通常又稱為E型放電，這樣的電漿可以看成是一個密封的玻璃容器放在電容的兩個極板之間。E型放電在原理上跟普通的電極間放電十分類似，只是把兩個電極移到放電管外部罷了，能量禍合時必須通過電極附近的鞘層，這樣導致這种放電的特性受驅動頻率的影響十分大。E型放電同H型放電相比，它的禍合效率要低很多，而且功率密度也要低很多。要得到足夠高的功率密度以滿足光源設計的需要，就要求鎮流器的驅動頻率十分高，這樣就使電子元件的成本急劇上升，更值得注意的是電磁干擾也變得嚴重了。

微波放電

此時電磁波的波長和藕合器及放電管的尺寸可以比擬，在這樣的放電中由於頻率很高電子如果不與周圍粒子 碰撞就很難得到足夠的能量來激發原子(分子 ) 發光，因此在微波放電中電子與周圍粒子的彈性碰撞有決定性作用，電子通過彈性碰撞來不斷改變運動方向，逐漸從微波場中得到足夠能量來激發和電離原子 (分子 )。微波放電的特點和E型放電有點類似，但由於微波頻率較高因此 有較高的禍合效率，光效也較高。由於產生微波的磁控管是比較成熟產品，因此成本稍低，但由於微波頻率高的緣故需要波導和藕合腔等裝置，設計時結構會比較複雜一些。

行波放電

電漿可以在行波放電中產生，典型的就是表面波放電，電磁波會隨著電漿形成的通道傳播。電磁波在傳播的過程中不斷的加人電子來電離氣體，可以確保電磁波在氣體形成的電漿中傳播，因此氣體電離形成電漿本身可以作為一 個波導來約束電漿的傳播方向。因此與前面介紹的微波放電有一個很大的不同，電漿不需要全部包圍在波導或禍合腔內，可以通過電磁波傳播方向來控制電磁波的傳播結構。微波經過諧振腔以後可以沿石英管進行傳播並形成電漿放電。

感應放電的發展

感應螢光燈是發展的最好的無極放電光源，其發展的一個主要方向是大功率放電結構的設計，由於其禍合功率密度很高，有希望提高光源的發光強度來適應泛光照明、道路照明和大型廠房照明的需要。通過燈具設計來滿足這些照明要求，如果大功率放電結構得到突破，可以進一步拓寬其套用範圍。另外，感應放電螢光燈應該進一 步減少電路和磁心的能量損耗，如果將這部分能量損耗降低到15%，預計燈的光效可以超過80lm/W。

感應放電的金屬鹵化物燈也是另一個重要研究方向，無極金屬鹵化物燈可以達到很高的光效，而且還有其它很多優點，特別是可以採用無汞的發光物質組合。但僅在實驗階段，需要克服的困難有放電結構的設計，放電的啟動問題，電弧的不穩定和熄滅，鹵化物游離和管壁發生作用等問題。還有應該在點燈迴路的設計進行研究，以保證光源的穩定工作。雖然實驗證實適當的發光物質配比可以得到發光效率180lm/W的光源，但還沒有可以真正使用的無極金屬鹵化物燈投人市場。

容性放電的發展

在螢光燈方面，容性放電在低頻驅動下工作不可行，實驗證明當工作頻率超過27MHz 時放電的鞘層電壓比直流放電低，並且可以提高燈的光效和壽命。曾經Proud和Smith採用gl5MHz的微波作為驅動源來進行放電, 但也沒有成熟產品問世，因為其光效和微波藕合效率比較低。其發展方向將主要在小功率放電和無汞放電。但由於其結構簡單可靠，可以在儀器中作為激勵光源。

容性放電的金 屬鹵化物燈是一 個重要的發展方向，由於其軸向電場強度比較高，維持放電的能量可以比較小，放電電漿尺度一般僅lmm左右。再加上其溫度輪廓比較平，電漿的熱容小等特點 ,可以使它有很好的啟動和再啟動特性。因此容性放電的小功率金屬鹵化物燈是一個 比較有套用前景和發展潛力的方向。

微波放電的發展

微波放電的發展主要有不同發光物質的研究，通過不同的金屬鹵化物配比可能得到光效更高，顯色性能更好的光源。另外放電結構，特別是諧振腔的改進，可以進一步提高放電的禍合效率和工作方式。另外，微波放電的小功率方向也是一個很好的探索，隨著低成本固態微波源的發展，將會有更多套用產品問世。

行波放電的發展

根據whamrby的實驗證明表面波放電可以得到與傳統螢光燈正柱不相上下的發光效率。但考慮高頻轉換效率，其光效不具優勢。為了提高表面波放電的發光效率就要求，表面波放電發生集中在管壁附近以減少光損失，但這樣的放電是非平衡的電漿，因而發光不均勻。行波放電的無極光源還在初步探索中。

無極放電光源是未來新型放電光源的一個重要發展方向。隨著在發光機理的不 斷深入認識和放電結構設計的逐步改進，結合電子線路的創新和禍合效率的提高, 無電極放電光源必將得到更大的發展空間，套用範圍也將不 斷得到開拓。

高頻無極放電氦磁光源

高頻無極放電氦磁光源是高頻無極放電燈的一種套用，它是氦共振磁力儀的核心器件，包括氦光泵燈和氦磁共振吸收室(以下簡稱氦燈 、氦室)。氦磁力儀被廣泛套用于海洋磁力分布調查，繪製磁力圖，地震的預測以及地礦 、石油 、地下文物探測等領域。地磁場磁力線均勻分布，當某一地區存在順磁性或鐵磁性物質時，磁力線分布將會發生變化，磁場強度同時增加，氦磁力儀通過發現磁場的變化可以進行江海及地下探測。氦燈在高頻電磁場激勵下發出的圓偏振光，經過透鏡變 成平行光，透過偏振片，進入氦室，通過檢測到達紅外探測器件的圓偏振光的強度，達到測定磁場的目的。氦磁力儀工作過程中，氦燈 、氦室產生磁共振信號的大小直接影響氦磁力儀靈敏度的大小。

材料的選擇

氦燈和氦室製造水平的高低直接影響氦磁共振信號的大小。產品製造離不開材料的選擇。基於產品的技術要求，氦燈氦室的填充氣體 ———氦氣的純度要求很高，實驗所用氦氣純度為99.9999%。氣體純度高，對氦燈而言，在電磁場作用下可以減少因雜質粒子碰撞，影響D₁線的輻射；對於氦室而言，才能保證D₁線進入氦室的吸收與輻射不受損失，不存在因雜質氣體產生的共振輻射陷阱。為了使氦燈氦室有一個“高純”的氦氣工作環境，要求產品製造中有高真空的獲得技術，真空度要求10^-8Torr 以上，這包括使用高真空無油分子泵，摸索不同玻璃的最佳除 氣溫度，在排氣過程中及燒燈後進行特殊的老煉等手段。製造產品外殼的玻璃選擇很重要，要求能透近紅外(1.083^μ)性能較好，並能兼顧加工難易程度，玻殼烘烤溫度與析晶現象的矛盾等因素。一般選用含Fe^{3 +}比例較大，膨脹係數31～37 ×10^-7/ K的鎢組玻管。

氦燈氦室玻殼製造

氦燈中間一段細管徑玻管是D₁線(包括其他譜線)輸出部分，這一段玻管制造要求厚度均勻，平整光滑，無變形失透，以防止D₁線因散射而損耗。氦室的要求尤其嚴格，在高純氦共振吸收室的工作模式中 ,D₁線從一端玻屏射入，經共振吸收室後從另一端玻屏射出，為了保證出射偏振光強度最大，玻屏必須平整無變形，以確保D₁線不受損失。玻屏與玻管封接依靠專用設備封屏機完成。

氣壓力的選擇及控制

充氣壓力直接影響氣體放電燈的技術性能，氦燈是氦原子在高頻電磁場作用下從基態躍遷至亞穩態2³S₁，亞穩粒子碰撞激發至2³P_J態(J =0, 1, 2), 激發態粒子躍遷輻射出1.083^μ譜線。根據氣體放電理論，氦燈的充氣壓有一最佳值區域，合適的充氣壓才能保證粒子激發躍遷產生需要的D₁線。氦室是氦原子在高頻電磁場中產生弱共振激發，從基態過渡到亞穩態，亞穩態粒子在D₁線作用下產生光學取向。氦室充氣壓比氦燈低得多，而且有一 最佳值。氦室充氣壓P與磁力儀靈敏度S存在一關係曲線。對於有確定尺寸的氦室，其充氣壓為4Torr，氦燈充氣壓為氦室的15～20倍。為了保證充氦氣的準確性，排氣系統應使用針型凡爾及高倍顯微鏡。