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稀有气体在电光源照明中的应用

更新时间:2011-10-28 13:35:21
   稀有气体因其在自然界中量少而得名,主要包括氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氡(Rn)六种气体,其中氡是放射性元素,故除了作为科研测漏之外,工业生产中尚未得到广泛的应用。稀有气体是元素周期表中的第八族元素(或零族),原子最外层轨道上已被电子充满,结构稳定,通常不与其他物质反应,性质不活泼,故称为惰性气体。
 
    与其他气体相比,稀有气体都是单原子分子,这是它们的一个特点,也是由于它们的“惰性”所决定的。尽管如此,按照元素周期表的规律,自上而下,随着原子序数的递增,它们相互间的惰性也是有差异的。例如,已经发现在一定条件下,氙可以与氟相互作用生成三氟化氙。因此,所谓的惰性也是相对的,要具体分析,当然,从总体上说,稀有气体还是属于化学性质极不活泼的一类气体。
 
物理性质
He
Ne
Ar
Kr
Xe
Rn
原子半径(10-16m
2.7
2.8
3.43
3.5
4.05
--
气态颜色
无色
无色
无色
无色
无色
无色
辉光放电时颜色
黄色
红色
红或蓝
黄绿色
蓝绿色
--
密度(1 atm,21.10Ckg/m3
0.165
0.83536
1.65
3.479
5.472
9.73
热容量(250C
20.81592
20.81592
20.81592
20.81592
20.81592
20.81592
热容商(0~200C
1.63
1.642
1.657
1.689
1.666
--
折光指数(389nm1atm,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
沸点(1atm)
-268.935
-240.08
-185.88
-153.35
-108.10
-62
 
 
   在电光源生产中,稀有气体是不可缺少的重要材料,几乎所有的灯内都要充入一种或几种稀有气体,它们或作为发光物质产生辐射,或用作填充气体延长灯的寿命等等。
 
   氩(Ar)是首先被用来充入白炽灯内作为填充气体的,由于抑制了钨的蒸发,同时降低钨丝的氧化,可使灯丝工作的温度提高,从而获得比真空泡更高的发光效率和寿命。
 
   氖(Ne) 充入氖气的灯会射出红光,除作为仪表盘指示灯的填充气体外,在空气里透射力很强,可以穿过浓雾。因此,氖灯也常用在机场、港口、水陆交通线的灯标上。氖还用于充填萤光灯、水银灯、钠蒸气灯及电压保护装置的灯泡等。近年来,氖还被用于研究基本粒子轨迹的火花室中作充填介质。
 
   氪气(Kr)比氩气有更高的密度和低的导热系数,因此将氪、氙气体充入白炽灯内有更好的效果。氪氙混合气充填电子管和灯泡,比相同功率的氩气灯泡省电2025%,寿命可延长23倍,发光率可以提高,而体积可大大缩小。当然,考虑到成本,氙气还是用得很少,氪气则已被大量用在高光效,高质量的卤钨灯中。氪气可充填高级电子管,实验室用的连续紫外光灯。测量宇宙辐射时用氪来充填游离室,还可以用于制成不需要电能的原子灯,与氘气制成的氘灯类似,可以在一些特殊工作场所,例如矿井内的使用,避免瓦斯接触电源而容易发生爆炸坍塌。氪灯的透射率特别高,因而可用于夜战中越野战车上的灯光。
 
   氙气(Xe)原子量比氪气更大,氙气除了作为高光效卤素灯填充气体外,还可以用作高压钠灯、HID汽车氙灯、电影放映灯、半导体光刻泵浦氙灯,电子闪光灯。氙灯还具有高度的紫外光辐射,可用于医疗技术方面。
 
   所有类型的气体放电灯,都要充入各种稀有气体。在荧光灯、高压汞灯、金属卤化物灯、高压钠灯中,除汞以外,都还要充入一定的氩气或氪气,利用“潘宁效应”帮助灯启动,使灯在合适的电压下工作以及抑制电子粉的蒸发和减少汞离子对阴极的轰击溅射。
 
   在冷阴极发光信号灯和霓虹灯中,充入氩、氖、氦等气体,采用透明的玻璃管就能产生相应气体辐射的各种彩色光谱来。辉光放电是低气压下的气体放电。放电管中的残余正离子在极间电场的作用下被加速,于是得到足够的动能撞击阴极而产生二次电子,经簇射过程产生更多的带电粒子,使得气体导电。因此放电管两极间所需电压较高,一般都在10千伏以上,但辉光放电的电流很小,温度不高。利用各种惰性气体或者混合气体放电发光,可以制成各种光谱的霓虹灯。
 
    同时,氦、氖、氩、氪、氙也是深紫外准分子激光的重要激发源。
 
表一,稀有气体在电光源中的应用
 
稀有气体
主要用途
Ar
1、用作白炽灯的填充气体,以抑制炽热钨丝的挥发,延长灯的寿命;
2、填充在荧光灯中,帮助启动,保护电极免受汞离子的冲击,同时延缓阴极上金属的蒸发;
3、充入冷阴极放电管中,可获得淡蓝色的发光;
4、在高压汞灯和金属卤化物灯中起启动和缓冲作用;
5、在微波激发下发射真空紫外谱线(104.8nm106.7nm),用作光化学反应源。
Ne
1、与Ar混合组成潘宁气体,充填在荧光灯中,可降低灯的启动电压;
2、充于冷阴极放电管中,可获得橙红色的发光,用作指示灯;
3、在微波激发下,发射单色的真空紫外谱线(74.4nm73.6nm)。
Xe
1、充入HID氙灯中,在启动后立即获得全部光输出的80%,放电时发射白光,色温5500K
2、可制成卤素混合气体填充卤素灯;
3、在微波激发下,发射单色的真空紫外谱线(14.7nm)。
Kr
1、与Ar混合,充填在荧光灯中,可提高光效,但启动困难;
2、可制成卤素混合气体填充卤素灯;
3、氪85同位素气体可填充入金属卤化物灯,帮助启动;
4、在微波激发下,发射单色的真空紫外谱线(123.6nm116.5nm)。
He
1、与其它惰性气体混合用于大功率荧光灯中;
2、在微波激发下,发射单色的真空紫外谱线(58.4nm)。
 
   用氙气做成氙灯,则能发出近似日光的密集光谱用于放映和照明。稀有气体除作为灯内的工作物质外,氩气也常作为电光源生产工艺中的保护气体使用。
 
表二,冷阴极放电管中各种稀有气体在放电时呈现的颜色
 
发光管颜色
气体或混合气体
充气压力(kPa
水银
玻璃颜色
Ne
0.8~1.6
Ne
0.8~1.6
无色
橙红
Ne
0.8~1.6
软黄
金黄
HeHe-Ar
0.4~0.8
软黄
亮黄
Ar,Ne-ArNe-He-Ar
0.8~1.6
软黄
中绿
Ar,Ne-ArNe-He-Ar
0.8~1.6
暗绿
Ar,Ne-ArNe-He-Ar
0.8~1.6
软黄
Ar,Ne-ArNe-He-Ar
0.8~1.6
无色
中蓝
Ar,Ne-ArNe-He-Ar
0.8~1.6
软蓝
淡蓝
Ar,Ne-ArNe-He-Ar
0.8~1.6
暗紫
Ne-Ar
0.8~1.6
无色
紫红
Ne
0.8~1.6
暗紫
白色(带黄)
He
0.4~0.8
乳白或无色
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