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世界科技全景百卷书: 钨灯家族
敌人和朋友 这是一只普通的白炽灯，主要由玻壳、灯丝、导线、感柱、灯头等组成。 玻壳做成圆球形，制作材料是耐热玻璃，它把灯丝和空气隔离，既能透光，又起保护作用。白炽灯工作的时候，玻壳的温度最高可达100℃左右。 灯丝是用比头发丝还细得多的钨丝，做成螺旋形。看起来灯丝很短，其实把这种极细的螺旋形的钨丝拉成一条直线，这条直线竟有1米多长。 两条导线表面上很简单，实际上由内导线、杜美丝和外导线三部分组成。内导线用来导电和固定灯丝，用铜丝或镀镍铁丝制做；中间一段很短的红色金属丝叫杜美丝，要求它同玻璃密切结合而不漏气；外导线是铜丝，任务就是连接灯头用以通电。 一个喇叭形的玻璃零件就是感柱，它连着玻壳，起着固定金属部件的作用。其中的排气管用来把玻壳里的空气抽走，然后将下端烧焊密封，灯就不漏气了。 灯头是连接灯座和接通电源的金属件，用焊泥把它同玻壳粘结在一起。 这里特别需要讲讲灯丝，因为电灯正是要靠它来发光的。 同炭丝一样，白炽灯里的钨丝也害怕空气。如果玻壳里充满空气，那么通电以后，钨丝温度升高到 2000℃以上，空气就会对它毫不留情地发动袭击，使它很快被烧断，同时生成一种黄白色的三氧化钨，附着在玻壳内壁和灯内部件上。 要是玻壳里残留的空气比较少，那么上面讲的过程就会进行得慢一些，钨跟空气中的氧化合生成一薄层蓝色的三氧化二钨和氧化钨的混合物。 这些都是空气玩的把戏——空气里的氧气使高温的钨丝氧化了。 所以钨丝灯泡要抽成真空，把空气统统清除出去。 有时怕抽气机抽不干净，还要在灯泡的感柱上涂一点红磷。红磷受热会变成白磷，白磷很容易同氧气反应，生成固态的五氧化二磷，把氧气“吃掉”，这样，玻壳里残留的氧气也被消除了。 但是，这样做还没有解决全部问题。白炽灯用久了玻壳会变黑，再过一段时间会烧断，你知道这是为什么？ 确实，钨丝比起炭丝来，在真空里的蒸发速度要慢得多。但是，当白炽灯点亮温度升得很高的时候，钨的蒸发仍然十分严重。 长时间的高温使钨丝表面的钨原子像水蒸汽一样不断地蒸发扩散，然后一层又一层地沉积到玻壳的内表面上，使玻壳慢慢黑化，越来越不透明。 钨的蒸发也使钨丝越来越细，最后烧断。 灯丝工作温度越高，钨的蒸发越快，白炽灯的使用寿命就越短。 有没有办法使灯丝在真空条件下减少蒸发和延长使用寿命呢？ 办法只有降低温度，降低灯丝温度可以达到延年益寿的目的。钨丝工作温度高达2700℃时，灯泡点亮不到1个小时就熄灭；钨丝工作温度下降到1700℃，使用寿命可以延长到1000个小时以上。 可是，这并不是个好办法。降低钨丝的工作温度，也就是降低它的白炽程度，会使白炽灯的发光效率降低，远不如温度高时那么明亮。 于是，问题就这样明明白白地摆在了人们的面前：要想白炽灯更多地发光，就得提高灯丝的工作温度；要想减少钨丝的蒸发以延长灯的寿命，又得降低它的一体温”。这是矛盾的。 我们的要求是既有高的发光效率，又能减少钨丝蒸发。 经过多年的研究，人们注意到，当灯泡里充有空气的时候，虽然灯丝很快会被氧化，但是钨的蒸发却变慢了。 原因其实很简单：空气是由多种成分组成的，使钨氧化的只是占空气总量1/5的氧气；至于其余的大约占4/5的氮气，它不仅没有参与对钨的破坏作用，相反地还干了好事——阻碍钨分子的运动，降低钨的蒸发速度。 人们于是给钨丝找到了一位保卫它的好朋友——氮气。氮气就在空气里，而且占了空气的大多数，真可谓“踏破铁鞋无觅处，得来全不费工夫”。 过去我们为了保证白炽灯延年益寿，不得不把玻壳中的空气抽走，抽得越干净越好，而现在为了同样的目的，我们却要做相反的工作，即把气体——当然是不会跟钨发生化学反应的气体充到玻壳里去。 氮气是个懒惰的家伙，好自个儿东游西逛，跟谁也不爱打交道。它在很多地方派不上用场，可在白炽灯里却可一显身手。 如果灯泡里是真空的，那么当钨丝接通电源，温度升高后，钨的分子就会“蠢蠢欲动”，大量地脱离灯丝，“如入无人之境”，到处乱跑，直到碰在玻壳壁上被吸着时为止。 玻壳里一旦充进了氮气，白炽的灯丝周围就会形成一薄层稳定的气体保护层，就像一道活的“篱笆”。每一个氮气分子都是一名勇敢的战士，守卫在钨丝的附近，对那些企图脱离集体四处乱窜的钨分子毫不客气，狠狠地顶撞回去，叫它们重返工作岗位，继续为光明服务。这样一来，钨丝的蒸发速度就慢得多了。 结果是出现了充氮气的白炽灯泡。 1913年，兰米尔首次往玻壳里充进氮气，这是继灯丝由炭丝改钨丝后白炽灯的又一重要革新。直到目前为止，充气仍然是抑制钨丝蒸发的基本措施。 不过，有一点要注意，因为氧气或水蒸汽都会在钨丝工作时跟它起氧化反应，所以对充气的含氧量和含水量都有极严格的要求，不然的话，灯泡的寿命就会大大地缩短。 充气使钨丝的蒸发速度变慢，同样的使用期限可以使灯丝在更高的温度下工作，所以充气灯泡的发光效率比真空灯泡要高。一般来说，充气灯泡的发光效率要比真空灯泡高出1/3以上。 惰性气体 充气灯泡，既可以避免钨丝氧化，又能够阻止它的蒸发，好处是很明显的。 不过与真空灯泡相比，充气也带来了新的问题，即对流的气体会把更多的热量传递给玻壳，并通过玻壳散失到周围的空间，结果是增加了热的损失，降低了发光效率。 这又是一个矛盾。 要看什么是矛盾的主要方面：如果钨丝的蒸发是主要的，热损失不是很多，那么通过充气抑制钨丝蒸发，很好地提高发光效率，充气就是有利的；反过来，如果矛盾的主要方面是热损失，蒸发问题不大，那么充气后发光效率提高不多，热损失却增加不少，充气就弊多利少。 一般来说，功率比较小的白炽灯，灯丝细长，热损失很大，充气虽然可以减少钨丝的蒸发和提高它的工作温度，但是这部分发光效率提高的“收入”弥补不了充气后热损失增加的“支出”。对于这样的灯泡，充气就不一定有利。 在我国，25瓦以上的白炽灯泡都充气。 充气灯泡里充多少气合适，是有规律的。 充气越多，玻壳里的气体密度越大，压力越高，抑制钨丝蒸发的效果就越明显。但充气太多会增加热的损失，玻壳必就必须做得十分结实以防爆裂。 一般灯泡的充气压力，都在一个大气压左右。 除了讲究充气的数量，还要考虑充什么气。 氮气以及惰性气体氦、氖、氩、氙、氪等等，都可以用来充进灯泡里。 从道理上讲，充气的目的既然是用来抑制钨丝蒸发，那当然应该选择那些身材比较“魁梧”，体重比较重，也即分子量比较大的气体。 比方说，氦是最轻的惰性气体，用来充填白炽灯泡就不太适宜。氮比氦要重，氖、氩又重于氮。同样的灯丝，同样的温度，在氮气中的蒸发率只有在真空中蒸发率的2％～5％。充填氩气的效果将更好，钨的蒸发率可降低到只有真空中蒸发率的1.3％～3％。第一只充氩灯泡是1920年问世的。 氩是空气中含量最多的惰性气体，也是大气成分中仅次于氮、氧的第三号“人物”，每100升空气中就含有934毫升氩，加上它不易传热，所以常同氮气一起被用作灯泡充气。在一般的充气灯泡里，都充90％的氩气和10％的氮气，或者86％的氩气和14％的氮气。 为什么不充氪、氙等一类分子量更大的惰性气体呢？用它们充气不是可以获得更好的效果吗？ 确实如此。氪、氙一类的惰性气体不仅分子量大，传热本领也差。把它们充进玻壳里，既对钨丝蒸发有更强的抑制作用，造成的热损失也小得多。这样的充气灯泡，工作温度可以提得更高，灯更明亮，发光效率比充氩、氮的灯泡高约30％，而灯泡的寿命并不缩短。 问题是，氪、氙之类气体是大气中含量最少的稀有气体，只有氩的含量的万分之一和十万分之一，所以制取困难，身价高昂，十分难得，只有在特殊需要的情况下，比如在制做某些矿灯的时候才使用。 为了提高白炽灯的发光效率，延长灯的使用寿命，人们还在灯丝的成分和结构上下功夫。 钨丝虽然能耐高温，但在高温下会变得很脆。发明家们于是请铼来帮忙，因为铼不仅熔点高，耐腐蚀，而且机械性能好，电阻率也比钨高得多。钨丝镀上铼以后，强度和电阻大大增加，寿命可以延长5倍。 要使通电后的灯丝获得足够高的发光温度，细细的灯丝必须做得很长，可是长长的灯丝灯泡里又放不下，于是发明家们把它做成螺旋形。大家知道湿衣服晾开要比团在一起容易干得多，也就是水汽的蒸发要快得多。同样的道理，人们把灯丝做成螺旋形，一方面可以缩小所占空间，提高发光效率，另一方面又能降低钨的蒸发，延长使用期限，真是一举两得。 1936年，人们还做成了双螺旋灯丝，这样效果就更好，充气白炽灯的工作温度提高到2500℃以上，摄影用的白炽灯甚至达到了3000℃。 通过充进惰性气体和改进灯丝结构，白炽灯的蒸发速度进一步降低，发光效率进一步提高，它也变得更加成熟了。 卤素的作用 玻壳里充进了惰性气体，装上了性质均匀的双螺旋灯丝，白炽灯的发光情况比以前好多了，特别是使用寿命长 了许多。 但是还不够理想。 一方面，惰性气体的保护作用随着充填气体压力的增加而加强，为此要求玻壳的体积越小越好；另一方面，为了使蒸发的钨不致把玻壳很快变黑，又要求玻壳尽可能做得大一些。这就又是一个矛盾。 再说，以上一系列的努力只不过是使钨丝的蒸发速度有所减慢。钨丝仍在蒸发着，而且逃脱不了这样的规律：温度越高，蒸发越快。钨粉落在玻壳内壁上，时间一长，玻壳变黑，钨丝白炽灯的寿命一般只有1000小时左右。 原因在于惰性气体分子对于蒸发的钨原子只起狙击的作用。狙击不可能万无一失，漏网的钨原子会通过惰性气体分子之间的空隙，溜到玻壳壁上去，而一旦钨原子来到玻壳壁上，赖着不走，惰性气体分子对它们也就无能为力了。 怎么办呢？能不能找到一种物质，它们既能抑制钨丝蒸发，又能在钨原子溜到玻壳壁以后，跑过去把“逃兵”抓住并送回到钨丝上去呢？ 很多人都在琢磨这个问题，设法为钨丝找到一位“新朋友”。直到1959年，一位名叫弗里德里奇的美国人，才终于找到几位能够担当这一任务的“搬运工”，它们就是卤族元素及其化合物。 卤族元素简称卤素，包括氟、氯、溴、碘等几个成员。它们在一定的温度条件下，能够同钨化合，生成氟化钨、氯化钨、溴化钨、碘化钨，统称卤化钨，而在更高的温度下，它们又会顺利地分解成钨和卤素，恢复本来的面目。 这个特点具有根本的意义。 你看，人们往玻壳里充进一点卤素，接通电源以后，灯丝发热放光，同时开始蒸发。蒸发出来的钨，大部分被惰性气体顶撞回去，还有一部分向玻壳壁运动，并在温度逐渐降低的情况下与卤素结合，生成卤化钨气体。卤化钨气体反过来又向灯丝方向扩散，大约在距灯丝只有几毫米远的地方，又因高温而分解成钨和卤素，分解出来的钨可以重新沉积到灯丝上的，卤素则返回玻壳内壁附近去参加下一次反应。 热心的卤素这样来来回回地奔忙，像是一个勤奋的“搬运工”，把从钨丝上蒸发出来并溜到玻壳壁上的钨原子，一个个地重新搬回到钨丝身上去。它也像一位尽心尽职的“保姆”，总是不厌其烦地把走离了家的“孩子”送回家去。 钨和卤素的这种反应是循环重复地进行的，所以被叫做循环反应。钨和卤素在不断进行的循环反应中化合而又分解，消失而又再生，所以又叫再生循环反应。 这样看来，卤素所做的工作确实要比惰性气体有效得多。惰性气体对钨原子只是采取阻拦战术，阻拦不住只好听之任之，毫无办法。卤素实行的却是积极进取，主动争夺，要是漏网的钨原子跑到子玻壳壁上，它们会赶上去把“逃跑者”“揪回原籍”。 既然卤素能把蒸发的钨原子仍旧送回到钨丝上，那么钨丝的工作寿命不就可以无限地延长了吗？实际情况并不这么简单。 卤族元素的4个成员，都能在钨丝灯泡里进行再生循环，它们之间的主要差别，只是发生循环反应所需的温度不同，与灯内其他零件和杂质发牛化学反应的活泼程度也不一样。 在碘、溴、氯与钨的再生循环中，从玻壳壁上被送回来的“再生钨”可不是一下子就沉积到灯丝上的，而是先在灯丝附近徘徊，然后才寻找合适的安身之所的。如果灯丝各部分的温度不尽相同，那么钨在温度高的地方蒸发得快，而在温度低的地方沉积得多，于是钨就会慢慢地“搬家”，不断地从温度高的地方搬迁到温度低的地方。 事实上，灯丝不管做得如何均一，总还是有的地方租一点，有的地方细一点的。电灯点亮以后，灯丝比较粗的地方，电阻比较小，发热比较少，温度比较低；而灯丝比较细的部位，电阻比较大，发热比较多，温度比较高，钨在这里蒸发离去的多，沉积回来的少，如此久而久之，细的部位将会越来越细，灯丝最后就在这里断成两截。 由此可见，灯丝上的高温热点是它的致命伤，灯丝通常都是在这样的点位损坏的。 只有氟是例外。 在氟钨循环里，氟化钨在 3000℃以上才分解，比普通灯丝工作温度还高。因此，氟化钨里的钨，总是分解沉积到灯丝上温度比较高的地方；哪里有高温热点，它就到那里去分解沉积。这样，氟钨循环既防止了在灯丝上出现高温热点，也消除了钨原子沿灯丝的迁移现象。从理论上来说，这种灯的灯丝的工作温度可以接近钨的熔点，并能获得无限长的使用期限，成为名副其实的“长命灯”。 可是，氟钨灯又带来了一个新的问题；氟的个性过于活泼，爱跟各种元素打交道，对于灯里的许多零件，及至玻璃泡壳都有强烈的腐蚀作用，至今还没有找到合适的解决办法。因为这个缘故，充氟灯泡直到现在仍处于试验研究阶段，没有得到实际应用。 卤钨循环原理其实早在107年前就被发现了，往白炽灯里充进卤素的设想也在本世纪初就有人提出，可为什么第一只卤钨灯直到50年代末才姗姗到来呢？ 关键是材料和工艺方面的问题。卤素是化学性质极活泼的元素，对灯内的金属零件有强烈的腐蚀作用，容易造成导线支架的过早损坏。另外，当时用作玻壳的都是普通玻璃，体积很大，灯泡点亮时玻壳的表面温度只能达到100～150℃，这样的低温不足以促成卤素和钨的化合，而且钨的卤化物一定要在温度超过 250℃时才挥发，可当时用作玻壳的普通玻璃根本经受不了这样的高温。直到50年代初，对解决这个问题也没有取得明显的进展。 有意思的是，在应用卤钨循环原理方面首先取得突破性进展的，不是白炽灯，而是在航天技术的红外辐射器中。 1954年，美国通用电器公司为宇宙航行进行模拟试验，制成了一批管形石英红外线加热器，它用钨丝作红外线发射源，试验要求在短时间内每平方米的辐射功率达到数万千瓦。开始试验时，由于钨丝工作温度很高，使石英管很快变黑。后来在辐射器里放进少量的纯碘，钨丝工作温度即使达到2700℃以上，石英管仍能保持剔透明亮。这一突破性进展看来似属偶然，实际上是在卤钨循环原理研究，以及石英玻璃制作、封装工艺等问题基本解决的基础上取得的。 这一成功直接推动了卤钨灯的研制工作，使电光源工作者深受启发，他们抛弃了球形玻壳的传统观念，采用直径只有10～12毫米的管形玻壳。电灯工作时玻壳温度很高，但是耐高温的石英玻璃、高硅氧玻璃承受得了。过去人们总以为改进制灯工艺的方向是使灯泡里的气体纯净更纯净，免得发生会使照明设备遭到破坏的化学反应，而现在却要往玻壳里充进卤素，故意制造卤钨循环反应，并利用它们来提高白炽灯的发光效率和延长使用寿命。 就这样，第一只卤钨灯在1959年问世了。卤钨灯的问世使白炽灯的工作原理和设计思想发生了革命性的变化，揭开了白炽灯发展史上崭新的一页。 卤钨灯 热心的卤素加入了保卫钨丝的行列，它们不知疲倦地忙碌奔波，为改进白炽灯献身尽力。 到目前为止，在理论和实践上应用卤钨循环原理比较成功的是碘钨灯和溴钨灯。 最早问世的卤钨灯是用碘作循环剂的碘钨灯。这是因为在4个卤族元素里，碘的性质最不活泼，不像其他几种卤素那样有强烈的腐蚀作用。 待灯泡里充进纯碘、玻壳壁的温度控制在 250～1200℃之间，从灯丝上蒸发出来的钨就会在玻壳壁附近与碘化合成碘化钨。随着气体的对流，碘化钨将扩散到灯丝附近，由于这里的温度可以高到2000℃以上，不太稳定的碘化钨就会在这里分解成碘和钨，钨重新回到灯丝上继续工作，碘则再次向玻壳方向扩散去完成新的“搬运”钨的任务。 同普通 白炽灯相比，碘钨灯大大减少了钨的蒸发量，延长了使用寿命，提高了工作温度和发光效率。普通白炽灯的平均使用寿命是1000个小时，碘钨灯要比它长一半，发光效率提高30％。 从个子来看，碘钨灯显得特别小巧玲珑，同样一只500瓦的灯泡，碘钨灯的体积只有白炽灯的 1％。它的玻壳里除了有碘，还充进了惰性气体，又小又结实，充气压力高达1.5～10个大气压。 根据用途的不同，碘钨灯可分好几种。 有的碘钨灯能发出大量看不见的红外线，热效率高，是加热干燥用的理想热源。 有的碘钨灯功率大，可辐射出大量的光能，用作大型车间、广场、体育场、机场、港口等处的照明很合适。 有的碘钨灯是新闻摄影、彩色照相制版，以及电影摄影、放映的光源，功率高、体积小、重量轻是它的主要优点。在一部分激光装置中，碘钨灯还可用做光泵。 碘钨灯的光效高、亮度大、结构紧凑，这些正是交通车辆照明求之不得的长处。现在火车特别是汽车上的聚光灯、雾灯、主前灯等，正在逐步改用碘钨灯。 最常见的碘钨灯，有着像钢笔一样的细长身材。灯的主体是一根直径10～12毫米的石英管，软化点高达1700℃。灯丝上每隔一定距离用一个支撑圈托着灯丝，灯两端的长方形扁块是封接部分，用来保证既能导电，又不漏气。 碘钨灯也有不足之处。 碘蒸汽是紫红色的，它多少会对碘钨灯的亮度和发光效率产生一定的影响。碘钨灯工作时玻壳里有气体对流，个别地点的温度有可能下降到不足以维持碘钨循环反应进行的程度，结果使玻壳的局部发黑。还有，水平放置的管形碘钨灯必须用溴代替硫放得很平，倾斜度不得超过4度，否则就会影响灯的寿命。溴钨灯可以在相当程度上克服这些缺点。 溴钨循环与碘钨循环相似，只是溴的化学性质比碘更活泼，是比碘更勤快的“搬运工。溴钨灯里充溴的数量更得严格控制，稍稍超过就会对灯丝温度比较低的部位产生腐蚀。 实验研究告诉我们，氢能缓和溴的化学活性，如果把溴化氢或溴的碳氢化合物充进灯里，那么对灯内金属零件的腐蚀作用将会轻得多。 溴钨灯里的溴化氢可以在200～1100℃的玻壳壁温下进行正常的溴钨循环，所以可以用来制作大功率高光效的电光源。 溴清洁玻壳壁的效果比碘好，玻壳发黑的问题基本得到解决。溴化氢是无色透明的气体，不吸收可见光，比碘钨灯的发光效率高。溴钨灯里的气体对流不影响灯的寿命，使用时也不像碘钨灯那样一定要水平放置。 在不少岗位上，溴钨灯已经取代了碘钨灯。 溴钨灯发光体的形状多种多样，有点状、线状，还有面状。 点状的溴钨灯工作温度和发光效率高，在光学仪器、电影放映、光刻等方面有广泛应用。 用很多螺旋状的灯丝，排列成一个均匀的发光面，这就成了面光源溴钨灯。线光源和面光源溴钨灯正逐步被应用到电影、电视、摄影、舞台等方面。 我国从60年代初就开始试制充碘的管形碘钨灯，现在已经有了各种不同用途的近10个系列的上百个品种，在电影、电视、剧院舞台、体育场、博物馆等许多地方都能找到它们的踪迹。 20世纪30年代，一些新型的气体放电灯初露头角，特别是40年代荧光灯取得革命性的进展以后，有人曾经预言：白炽灯的时代已经过去，它们将从照明舞台上消失！ 但是预言并没有变成现实，尤其是50年代出现光效高、亮度大、体积小的卤钨灯以来，使用方便、价格低廉的白炽灯获得了新的生命力，在照明领域里继续保持着应有的地位。 荧光灯问世 新的放电灯一出现，就给人们带来了新的希望。因为这是一种和白炽灯在原理上完全不同的灯。白炽灯靠加热到高温来激发，由热能转变为光，所以称为热光源。而新的放电灯不需要加热到高温，它靠灯内电子与气体原子之间相互轰击来激发发光。它比白炽光源的温度低得多。白炽灯的灯丝要加热到2000多度，放电灯放电温度往往只有几百度。从这个意义上讲，我们可以把它称为“冷光”源。这一冷一热有什么根本不同呢？热光源发的光从紫外线、可见光到红外线应有尽有，而且大部分是损耗掉的红外线。作为“冷光”源的放电灯，它发光是有选择的，充不同气体就发不同的光。有的主要发红光，有的主要发蓝光或绿光，也有的主要发出紫外线。除特殊的红外放电灯外，一般来说，放电灯辐射的红外线的成分比白炽灯少得多。这样，我们就有希望造出一种放电灯，大大提高发光效率，也有可能配出各种色彩的光，或者配出白色光来。 首先获得成功的是荧光灯。 人们在研究放电灯的过程中，发现一种充汞蒸汽的放电灯。这种灯里汞的气压只有外面空气压力的百万分之一。当放电电流大于0.1安时，这种灯的放电比较强烈，发光强，也是弧光放电。它把所耗电功率的60％转变为紫外线，而可见光很少，只有2％左右，光效比白炽灯低得多。能不能把这60％的紫外光转变成可见光呢？这种设想通过人们的努力实现了！原来，有一种物质在紫外线照射下会发出可见光，称为荧光物质。夜光表上的数字和指针就涂有荧光物质，不过照射它的是放射性物质发出的射线而不光是紫外线。把白色的荧光物质涂在放电管内壁上，就能把大部分紫外线“回收”起来，转化为可见光。这种荧光物质一发现，大家就制造各种荧光物质来试，或把各种荧光物质混合起来试。这些荧光物质经紫外线照射后，发出各种色彩的光，简直像在变魔术，而“魔术师”就是科学家。有一个“魔术师”在玩“魔术”的时候，偶然发现一种荧光物质会使放电灯发出像太阳一样的光， “日光灯”就这样诞生了。以前常用的荧光物质是硅酸锌铍、钨酸镁及硼酸镉等混合荧光粉，发光效率约40流明/瓦，一下子比白炽灯提高了二三倍。1942年以后改用卤磷酸钙荧光粉，光效提高到60流明/瓦以上。 光效提高了是不是能省电呢？你如果点一支 40瓦的日光灯，和点一盏40瓦的白炽灯相比，并不能省电；相反，因为日光灯有一些附加设备，如镇流器之类，耗电要超过40瓦。但是，用日光灯时光通量比白炽灯大二三倍，你会感到亮得多。另一方面，如果以相同的照明效果为前提，那么，用日光灯比用白炽灯省电一半以上，也就是说，用20瓦荧光灯的照明效果比40瓦的白炽灯还要好。 总之，荧光灯克服了白炽灯的弱点，明显地比白炽灯优越，因此它的应用日益广泛。 多用荧光灯 荧光灯不但可以用于照明，还有许多其他用途。 你在医院的手术室里，会看到一种形似日光灯，然而灯管是透明的灯。它会发出一点暗淡的紫光，这就是用来消毒的紫外线灯。它的灯管是用石英做的，管壁里不涂荧光粉，严格说来不应叫荧光灯，然而它是荧光灯的亲兄弟。这种灯使用时不能长期照到人身上，否则会造成损伤。它发出的紫外线既能杀死细菌，也会伤害人体细胞，真有点“敌我不分”，我们使用时必须趋利避害。如果在它的内壁徐上特种荧光粉，专门产生 270毫微米到 370毫微米的紫外线，就变为治疗用的“太阳灯”。这种灯对人体的作用和太阳光相同，它发出的紫外线是人体所需要的，照射在皮肤上会使皮肤发红，还会产生出维生素 D，可以用来进行“日光浴”，治疗缺乏日照引起的疾病。但是过量的照射，也是有害的。 你在农村会看到一种捕杀害虫的灯，它也是荧光灯的兄弟。人眼看它并不觉得亮，然而昆虫对它却非常敏感。“飞蛾扑火、自取灭亡”，这是大家所熟悉的一句谚语。许多害虫也有这样的习性，喜欢飞向光源，这种习性称为趋光性。已经查明许多害虫对330～380毫微米的紫外线特别敏感。于是我们投其所好，用特种荧光粉和特种玻璃，制成能发出370毫微米紫外线的“黑光灯”，并在它的周围安上高压电网。这样，就可利用害虫的习性来诱杀害虫。据说一支20瓦的黑光灯诱虫面积可达75亩左右。 荧光灯还可以根据植物生长的需要制成园艺灯。研究发现，红色和蓝色的光对植物光合作用特别有用。这些光照在叶绿素上，叶绿素就可以把水分和二氧化碳变为植物的养料。植物的叶子吸收对它有用的红光、蓝光，反射用处小的绿光，所以叶子大多是绿色的。根据这种特点，适当调配荧光粉，可以使荧光灯发出较强的红光和蓝光，满足植物光合作用的需要。这种灯不适宜照明，但是对研究植物生长，是一种重要的工具。 此外，还有用于复印的“光化蓝”荧光灯，用于装饰的彩色荧光灯，用于治疗的蓝色荧光灯，以及用于高温或低温环境的特种荧光灯。 有意思的是利用荧光灯闪烁的缺点，还可以大致测定转速。 放电灯的发光会随电流变化。交流电交变频率每秒50周，使荧光灯的亮度变化100次，引起明暗的闪烁。那你为什么看不出荧光灯的闪烁呢？这是因为人眼有视觉暂留的特性。一个形象即使一闪而过，在人眼内也要留一个短暂的时间。只要每秒闪烁次数超过16次，人眼就分辨不出来，觉得是连续发光，并不闪烁。电影本来是一张一张不连续的画面，因为每秒放映24幅，看起来就像是连续的了，这也是人眼视觉暂留的关系。但是在荧光灯下看快速运动的物体，就会发现一段明亮，一段暗淡，有一种抖动的感觉。因此，有些球场上宁可用白炽灯，而不用荧光灯。 正是由于这种闪烁现象，在荧光灯下开电扇，风扇叶片达到一定转速后，你觉得它停住了，有时还像在慢悠悠地倒转。如果风扇转速和荧光灯闪烁的次数相同，这时你看到的风扇就像停在那里一样。实际上，风扇的4片叶子你是分不出来的，只要转速是闪烁次数的 1/4，就会使你产生停止不动的感觉。如果风扇转速稍慢一点，看起来就像风扇在倒转一样。这种现象既然在电扇上可以看到，那么，在旋转的车床、飞轮、齿轮上也都会发生。看起来好像是静止不动的轮子，你若伸过手去，马上会把手指头都切掉！这种场合就不能用荧光灯，或者要采取特殊的办法，减小闪烁效应，避免事故。 荧光灯的闪烁是一种缺点，但是它有规律，每秒100次，所以可以利用它来粗略地测定转速。如果你想检查一下你的电唱机的转速准不准，就可以利用荧光灯的闪烁来帮忙。最简单的办法是用一张圆卡纸，画上3圈不同的线条，中间开一孔穿在唱盘上。这3圈中，外面一圈均匀地画上180条黑条，用来测定331/3转：当中一圈画 133条，用来测45转；里面一圈画上77条，用来测78转。这些线条要画得均匀，才能得到满意的效果。假定你要测45转的转速，那么，我们让荧光灯照在圆卡纸上，电唱机转动时，注意观察当中那圈133条线条。如果条纹像固定不动似的，说明转速基本上是对的；如果条纹倒转，说明转速低了；如果条纹向转动方向前移，那是转速偏高了。用同样的方法，也可测定331/3转和78转两种转速。 光彩夺目的卤钨灯 电影杂志上至今还有“水银灯下”这一专栏，用以挥写演员的拍摄、演出活动。其实，这是20年代的老皇历了。现在你到摄影棚里去，会看到一种只有钢笔那样大小的灯。别看它小，一开起来，可以把摄影棚照得如同白昼，色彩也比白炽灯漂亮。 要是直接对着它看，准会使你眼花缭乱。它不但用在摄影棚里，也用在电视台和舞台上。在拍摄新闻纪录片时，摄影师要带上两位助手，帮他打几支强光灯，也是这种钢笔大小的灯。这就是卤钨灯。“卤”字代表元素周期表中的卤族元素，也就是氟、氯、溴、碘这一类元素。卤钨灯就是充有卤素的钨丝白炽灯。现在常用的是磺钨灯和溴钨灯。 为什么碘钨灯又小又亮呢？你大概还记得白炽灯吧！它的发光效率很低，这和它工作温度低、辐射的红外线比例大有关。从理论上推算，热光源工作温度在6500K时（这里 K表示绝对温标，它的零度大致等于摄氏零下273度），可见光占辐射功率的43％左右，达到最高点。温度低了，红外线辐射多；温度再高，紫外线的比例要增加。但是，一般白炽灯用的是钨丝，工作温度才2700K左右。再提高温度，灯丝就会很快蒸发、变细、断掉；超过3000K，就要短寿天折、只能点一、二小时。 为了减少钨的蒸发，有人想到在泡壳内充一点和钨不起化学反应的惰性气体，如氩、氪、氙等。让气体原子当“看守”，看住钨原子，钨要蒸发出来，就把它顶回去。这样试验下来有一些效果，不过并不显著。这就是充气白炽灯。 1959年前后，一种巧妙的设想成功了。人们发明了一种新的白炽灯—一碘钨灯。这种灯工作温度可提高到 3000～3200K，发光效率比普通白炽灯高一倍，而且不用担心钨丝的蒸发问题，工作寿命大大延长。 这里用了什么灵丹妙药？我们看到，灯丝上的钨原子蒸发出去后，沉积在玻璃泡壳上。时间一长，灯丝越来越细，泡壳越变越黑。经过长期的努力，人们找到了卤族元素——氟、氯、溴、碘。 比如碘，它有一种特别的脾气：在250℃以上的温度下，它和钨很亲近，会和钨结合在一起变为碘化钨分子；而在1500℃以上的高温下，碘化钨又分解成碘和钨原子。如果在白炽灯内充上碘，灯泡壁上温度超过 250℃时，碘就会把泡壳上的钨化合成碘化钨蒸汽，从泡壳上拉走，向灯丝方向移动。在灯丝附近因为温度高了，碘化钨分解，把钨交还给灯丝，剩下的碘又移到温度较低的泡壳上去拉钨原子。这样，我们也就不必担心钨的蒸发了。因为消除了后顾之忧，就可以提高灯丝的工作温度。工作温度提高，意味着通过灯丝的电流增加，这也就增加了灯的功率。这样，小小的碘钨灯就能比体积大得多的普通白炽灯更亮。 找到这个“搬运工”以后，问题并没有完全解决，还要找一种适当的泡壳。卤钨灯要求泡壳温度高，卤素还有腐蚀性，普通玻璃已经不适用了。后来，制成了一种石英玻璃，可以做碘钨灯、溴钨灯的泡壳，这种新灯就诞生了。氟、氯有更强的腐蚀性，连石英玻璃也受不了，还要找更新的材料。卤钨循环 卤钨灯主要用于强光照明，例如，用于拍摄电影、电视等。此外，有一类碘钨灯工作温度稍低，能发出大量红外线，可以做干燥器、烘箱的热源。作为光源，红外线强是浪费，是短处；可是作为热源，这就变为长处了。还有一类碘钨灯可以用在灯光球场、体育场、游泳池等场合，既光亮又色彩逼真 人造小太阳 和太阳一样亮 超高压汞灯里的气压，现在可以做到超过 100个大气压。两个放电的电极距离很近，只有几毫米到十几毫米，在这样小的区域里加进很大的电流，温度比高压汞灯高得多，发出的光又强又集中。气压在100个大气压以上的超高压汞灯，随功率不同，亮度有一些差别。总的说来，亮度和太阳差不多，你戴上深色墨镜还嫌太亮。 亮度高低怎样来判别，是不是灯的功率越大就越亮呢？不一定，高压汞灯可以做到几千瓦，但是还不如几百瓦的超高压汞灯亮。电筒里的小电珠功率不到1瓦，因为加有反光罩，它的亮度是指光源在单位面积上，向某一方向的单位立体角内发射的光功率。通俗一点讲，就是光功率的集中程度。同样的光功率，发光区越小，越集中，发射出去的范围越小，亮度越大。超高压汞灯就是因为发光集中，所以亮度特别高。当然，在一个大小固定的发光区域内，光功率越强，亮度也越大。我们后面要讲到的脉冲氙灯就是发光区较大的强光源。 制造超高压汞灯碰到的困难之一是放电温度太高，即使用石英也要熔化。怎么办呢？人们想了两种办法：一是缩短电极距离，放电区域只有像黄豆那么一点大，而把泡壳做成像乒乓球大小的球形，让泡壁远离放电区域，便成了球形超高压汞灯；二是把灯管做成毛细管，就像一只短的温度计，外面通水冷却，这就是毛细管超高压汞灯。 球形超高压汞灯，现在已经广泛用在机车上作车头灯，用在船舶上作照明灯和探照灯。毛细管超高压汞灯的光效比较高，约60～65流明/瓦。但是工作寿命短，只有30～100小时，有待进一步提高。 毛细管形超高压汞灯 超高压汞灯气压高，温度高，发光比高压汞灯接近日光，不必再用荧光粉校正光色。即使这样，超高压汞灯和日光之间仍有相当大的差别，蓝绿色的光还是比较强，显色性不够好。如果用来拍摄彩色显微照片或进行彩色投影显示，色彩还是要失真。这种场合下，超高压汞灯就力不胜任了，要用后面谈到的铟灯或高压氙灯。 除了汞以外，还有其他许多金属蒸汽也可以充在放电灯里，后面我们就来谈其他金属蒸汽放电灯。 日光灯创硕果 日光灯——管壁涂有卤磷酸盐的荧光灯，光色仍然不够理想，颇有点名不符实，人们于是总想找到一种光色更接近日光的光源。 这样的光源终于找到了，它就是氙灯。 第一只具有实用价值的氙灯是1958年诞生的。 氙是一种惰性气体，它在空气中的含量极少，只占总体积的一亿分之八，英国化学家拉姆塞直到1898年才发现了它。 惰性气体有6种，氙的体重居第二，比同体积的空气重3倍多，所以充氙气的气体放电灯的发光效率，要比充其他惰性气体的放电灯的发光效率来得高。 氙灯有几种不同的类型，我们先来认识一下长弧氙灯。 同普通荧光灯一样，长弧氙灯也是管状的。灯管用耐高温和热膨胀系数小的全透明玻璃制作。管内充有纯度很高的氙气，两头封接两个钍钨或钡钨电极，灯管比一般荧光灯管还长。 长弧氙灯要用触发器来开动。因为灯的工作电压太低，不足以使灯内的气体电离放电。触发器的作用就是产生一种高压脉冲加到灯的两极上，在灯管里形成火花放电通道，同时加热电极发射大量热电子，灯就马上点亮发光了。 灯点亮后触发器就停止工作，不用镇流器，直接接入电网便能形成稳定的弧光放电。 由于氙原子结构的特点，氙气放电能发出很强的弧光，光谱跟日光非常接近，这是它最重要的特点，人们因此称它为“人造小太阳”。 荧光灯的功率受到限制，一般在 到5 100瓦之间；氙灯的功率却可以做得很大，少说几千瓦，大的可达几十万瓦。发光效率也高，使用寿命跟荧光灯差不多。 功率越大，管壁温度越高，都要高到好几百度。这时光靠自然冷却是不够了，需要强制冷却，或者用风冷，或者用水冷。水冷就是用循环水冷却管壁，叫沿着水套流动的水把灯放出的热量带走。 当然，既要灯管，又加水套，既需供电，又得给水，水冷是挺费事的。但是，水冷大大降低了灯管的温度，可以增加灯的功率，缩小灯的体积，延长灯的使用寿命，提高灯的发光效率，总起来说仍然是很合算的。 这就是说，功率大，亮度强，光色好，光效高，这些都是长弧氙灯的优点。 一只 万瓦的长弧氙灯5 ，发出的光顶得上成千只 100瓦的荧光灯或成百只400瓦的高压汞灯，这样可以省下很多的灯具、灯柱和镇流器，管理和维修也方便得多，非常适宜于市中心、体育场、公园、车站、港口、机场、大型工地等处的大面积照明。 由于光色接近日光，长弧氙灯在彩色照相制版，布匹、织物的颜色试验，药物、塑料的老化试验，植物栽培，以及光化学反应等方面也有相当的应用价值。 既有长弧氙灯，相应地就有短弧氙灯。 短弧氙灯实际上是距离很近的两个电极在高压氙气中的弧光放电。正因为两极相距很近，所以氙气电离后发出的弧光很强很短，称之为“短弧”是名副其实的。 从实质上讲，长弧氙灯是高压氙灯，短弧氙灯是超高压氙灯。举例来说，有一种电影放映用的短弧氙灯，灯内充有常温下5～7个大气压的氙气，工作时灯内气压高达20个大气压。 一般的短弧氙灯多做成球形或椭球形，同高压汞灯相似。功率从几十瓦到几万瓦，发光效率比长弧氙灯略高，光色接近日光，为已有的点光源所不及。 短弧氙灯不但光色好，发光稳定，而且使用方便、清洁，没有烟尘，既减少了电影放映系统的维修工作量，又有利于人体健康。 具有这么多明显的优点，难怪在短短二三十年内，短弧氙灯的生产和应用就有了很大的发展，在彩色电影、电视的摄制、放映，以及舞台照明、照相制版之外，小功率的短弧氙灯用到光学仪器上，大功率上万瓦的短弧氙灯的最亮点甚至超过太阳，可以用到探照灯、成像极和太阳模拟器中。 短弧氙灯两个电极之间的距离很小，只有几毫米到十几毫米，灯管两端的电压不高而电流很大。很大的工作电流会使阳极的损耗大大增加。必须保证阳极有足够大的尺寸才能使热量散发出去，否则就容易烧毁。 光靠增加电极尺寸还不够，小功率的短弧氙灯可靠自然冷却，较大功率的要用风冷，更大功率的要用水冷。水冷也不再是用水来冷却灯管，而是直接用来冷却电极，特别是阳极，这样既可以缩小灯的尺寸，又给制造更大功率的短狐氙灯创造了条件。 往灯管里充进少量的氢气和氦气，可以使短弧氙灯两端的电压增加，电流减少，从而提高灯的发光效率，也使灯的亮度分布更加均匀。 把少量的水银充进灯里，得到了一种新的汞氙灯。新灯的发光效率高，现在已被广泛地用做机车、船舶以及探照灯的光源。 金光洒满街 每当夜幕降临，繁华、美丽的首都北京就亮起了万盏明灯，宽阔的长安大街更是笼罩在一片金色光芒之中，这光来自60年代的一种新光源——高压钠灯。 霓虹灯和氙灯里充的是惰性气体，汞灯里装有液态的水银，现在呢，连固体的钠金属也居然进入了灯管。 钠灯和汞灯几乎是同时发展起来的气体放电光源。汞灯有高压、低压之别，钠灯也分高压、低压两类从历史发展的角度来看，高压钠灯是低压钠灯的“弟弟”。 早在1932年，欧洲一些国家就用低压钠蒸汽放电制成了低压钠灯。 低压钠灯里充的是少量的金属钠和由氖、氩组成的混合气体。钠灯一通电，氖气首先放电，发出红光。放电产生的热量使钠熔化，蒸发变成钠蒸汽，并且逐步代替氖气放电发光。 要使固体的金属钠变成蒸汽，可不像使水银变成蒸汽那么容易，必须尽量减少热量的损失。或者给放电管做一个玻璃外套，就像给人穿上一件大衣那样；或者把放电管弯成“U”形；或者改变灯管的横截面形状，总之要使灯管管壁保持一定的温度——3000℃左右。 人们早就知道发光效率高是钠灯突出的特点，尤其是低压钠灯发出的光中黄光占了绝大部分，而黄光又是人眼最敏感的色光，所以低压钠灯的实际发光效率要比白炽灯高出十几倍。 不过，由于低压钠灯发出的光几乎全是黄光，使它大多仅用在光学仪器里，作为偏振计、旋光计、折光仪等的单色光源。又因为黄光穿透云雾的能力很强，所以低压钠灯也可用于船舰信号以及港口、机场照明。在电影制片方面，有时还用钠灯作特技摄影。 当时人们也知道，随着钠蒸汽压的增大，钠灯的光色会由黄色变成金白色，只是钠蒸汽在高温高压下腐蚀性很强，各种类型的玻璃都对付不了，所以很长时间内没有造出高压钠灯。 你认识钠吗？它是一种银白色的化学性质非常活泼的碱性金属，温度不到 100℃就熔化，放在空气中会很快跟氧化合，遇到水将发生强烈反应，甚至发生爆炸。 钠蒸汽有很强的腐蚀作用。用玻璃做钠灯的灯管，钠会同玻璃中的二氧化硅发生化学反应，使玻璃变成褐色，透明度变坏，灯光逐渐昏暗。后来化学家找到了一种二氧化硅含量比较低的特种玻璃球铝硼玻璃，这才初步解决了腐蚀问题。 但是，钠蒸汽的腐蚀作用是随着温度和压力的提高而增强的。一般来说，低压钠灯还比较好办，钠蒸汽压比较小，温度不过二三百度，上面提到的抗钠玻璃还勉强能顶得住。而在高压钠灯里，钠蒸汽压大大增加，灯管工作温度高到上千度，高温高压的钠蒸汽几乎能腐蚀所有的玻璃，不仅石英玻璃顶不住，就连抗钠玻璃也抗不了，用不多久便会被腐蚀得灯管变黑，部件损坏。 随着陶瓷技术的发展，直到1957年，美国人科里尔才研制出了一种用高纯多晶氧化铝，再加氧化镁添加剂烧结而成的半透明陶瓷。这种材料的熔点高达2040℃，经得起1600℃高温钠蒸汽的腐蚀，且能透过90％以上的可见光。有了它，高温钠灯才能于1960年呱呱坠地，经过改进完善，终于得到了实际的应用。 高压钠灯比低压钠灯更小，一只 400瓦的高压钠灯只有一支钢笔那么大。它与高压汞灯有很多相似之处：放电管的两头封有两个电极，电极上涂着电子发射物质；灯内装有双金属片开关，目的是使灯容易启动；内管 （放电管）外面加装一个椭球形的外玻壳，为的是减少灯的热量损耗，防止引线氧化，保持灯管温度稳定；内外管之间抽成真空，再加消气剂，可以更好防止热量散失。 灯管里不仅充有钠，还充有氙气和水银。水银起辅助作用，帮助提高灯管电压，并发少量的蓝绿光以改善光色；氙气帮助启动，它首先放电升温，然后过渡到钠蒸汽放电，直到稳定，需要好几分钟。 钠灯中的钠蒸汽压越高，黄光以外的可见光比例越大，光色改善，但光效越低。因此，为了获得比较高的光效，高压钠灯的钠蒸汽压是不能太高的。钠蒸汽压超过500毫米水银柱的高压钠灯，发白色光，光中有较多人眼不敏感的蓝光和红光，光效于是明显下降。实用的高压钠灯，钠蒸汽压只有二三百毫米水银柱，发出的光是金黄色光。 发出黄色光的高压钠灯显色性不好，在它的照耀下分不清黄和白，也分不清红和蓝，但是它的发光效率要比其他灯高得多，从理论上讲是发光效率最高的光源。即使考虑到热损失的影响，高压钠灯的实际光效也差不多3倍于高压汞灯，大约等于白炽灯的10倍。 可以作这样一个比较：同样是400瓦的钠灯和汞灯，安装钠灯的灯杆路灯已经用上了高压钠灯可以比汞灯高一倍，而路面的平均亮度反而比汞灯高3.5倍，而且光的均匀性也好，虽然有些人对它的光色不够习惯，可更多的人仍然觉得金色的光给人以温暖舒适的感觉，看得远，辨得清，光线柔和，眩光少，不刺眼，所以很受行人的欢迎。 在相近的照明效果下，钠灯比汞灯可节省一半以上的电力。请想想吧，一个城市更不用说一个国家有如此之多的照明路灯，节省一半以上的电力意味着可以节省多少宝贵的能源啊！ 对于道路照明来说，首先应该考虑的是高光效，经济和长寿命，其次才是光色和显色性，所以高压钠灯被认为是最有前途的照明灯之一。我国许多大城市的街道上已经用上了高压钠灯。区域性照明、闪光照明、大面积厂房和体育场照明也可以用它，将来高压钠灯还可以用作强光投射灯和室内照明灯。 这还不算，钠灯灯光的穿透力强，射程远，尤其在雾天雨天，白茫茫一片，高压汞灯暗淡无光，高压钠灯却可以穿透浓雾，光照甚远，这对大面积远距离照明很有意义，特别适用于港口、码头、海面等常有浓雾的场合。 长寿是高压钠灯的又一个长处，它可以点亮几千个小时。70年代由于改进了电极，钠灯的使用寿命已延长到1万至2万个小时。 钠灯是60年代出现的新光源，有人称誉它是电光源的第三代。我国70年代初开始研制高压钠灯，1974年国庆前夕就已经在首都试用。现在的问题是要进一步扩大它的功率范围，减小启动电压，改善光色，降低成本。 在电光源的发展史上，高压钠灯的出现是一次重大突破。将来钠灯一定会在照明领域里进一步崭露头角，大放异彩！ 金属卤化灯 从60年代开始，放电灯在高压汞灯的基础上又前进了一步，发展成一系列金属卤化物灯。这些新灯在各方面都超过了高压汞灯。 人们早就知道许多金属比汞容易激发，容易发光，而且能发出各种波长的可见光。不过固体的金属块是不能应用的，必须是金属蒸汽才能放电发光。可是，大多数金属在常温下蒸汽压很低，不能用来放电。即使给它们加热到1000K，效果仍然不大。怎么办呢？后来，人们从卤钨灯得到启发，想出了用金属卤化物产生高气压金属蒸汽的办法，于1961年制造出第一只金属卤化物的放电灯。 用金属卤化物能够获得较高的金属蒸汽压的诀窍在哪里呢？关键在于金属卤化物的蒸汽压比纯金属高得多，常温下就可以放电。在灯的放电中心，温度达到4000～6000K。同前面讲过的卤钨循环一样，金属卤化物在这样高的温度下，分解成金属原子和卤素原子。这时一部分金属原子参加放电发光，多余的金属原子和卤素原子就跑到灯管壁上。管壁的温度较低，只有几百度。在那里，金属原子和卤素原子又结合在一起恢复原状，成为金属卤化物分子，再向放电中心跑。它们就是这样循环地工作着，使放电灯的中心维持高的金属蒸汽压，不断放出华光。 金属卤化物灯可以说是汞灯的亲属，外形不是像高压汞灯，就是像超高压汞灯，电极结构也相近。它们也像汞灯一样，用石英做灯管，里面充上金属卤化物，还要充一点其他气体。充的气是汞和氙，称为缓冲气体，其实把它叫做辅助气体更好。像在钠灯里一样，金属容易激发发光，缓冲气体只帮助改善光、电特性，发的光很少，充当着默默工作的无名英雄。 新灯的发现就像发现一片肥沃的处女地一样，垦荒者接踵而来，短短几年内就把元素周期表上的金属元素翻了一遍。结果除剧毒、不稳定以及蒸汽压太低的卤化物被排除之外，大约找到50多种金属的卤化物可以用来做灯。一种灯可以用一种金属卤化物，也可以用两种、三种以至更多，这样就可以做出许许多多品种的新灯。 可是做灯终究不同于做数学题，50多种金属排列组合何止千万种？而能组成最有用的灯的却不过十几种。常用的各卤化物是碘化钠（Nal）、碘化铊 （TlI）、碘化钢（Inl）、碘化镝（DyI）、碘化钬（HoI）、氯化锡（SnCl4）等。现在，根据不同的使用要求，可以造出辐射不同波长的紫外灯、可见光灯或红外灯，可见光范围内，又可以得到各种颜色的光，如碘化钠发橙黄色光，碘化铟发紫蓝色的光，碘化铊发绿色光等等。把一些金属卤化物组合起来，可以获得高效率的白光，可以制成色温2400～10000K不同光色的灯。 地上的闪电 前面我们谈到的都是连续光源，即使放电灯有闪烁，发光基本上还是连续的。脉冲氙灯则能在不到千分之一秒的时间内发出很强的光，就像闪电那样一闪而过，因此也叫闪光灯。它又可以长时间有规律地一闪一闪，就像脉搏跳动一样，所以又称为脉冲灯。它虽然也叫灯，却并不能用来照明，用这种一闪一闪的灯照明，岂不要叫人头晕目眩么！脉冲灯自有它独特的用处。它的最大特点是亮度高，是目前除激光器以外的人造光源中最亮的一种，可以比太阳还亮。 常见的脉冲氙灯，外形像6瓦、8瓦的小荧光灯，用石英制成，透过石英管可以看到两端两根很粗的电极。大的脉冲氙灯也有40瓦荧光灯那么大。这种灯不能接在220伏的电源上，而要用专用的直流高压电源。它需要很高的触发电压，通过绕在灯上的触发丝使脉冲灯启动放电。触发后，灯内产生火花线，形成火花通道，然后发出强烈的白亮闪光，伴随着啪、啪的响声，灯内通过的瞬时电流大到几千安，可以说是地上的小型闪电和打雷。 脉冲氙灯 脉冲氙灯的发光效率大约40流明/瓦，和其他氙灯相近。它的色温很高，大约为 7000～9000K。发出的光中一部分是可见光，与日光的色彩相近。一支灯用得适当，可以闪光100万次以上。 脉冲氙灯有什么用呢？其实，许多人看到过它的闪光。也许你参加过一些值得纪念的会议，也许你参加过欢迎外宾的活动，至少你在电影或电视上看到过这样的场面。那里最忙最活跃的是新闻记者，在他们穿梭往来的时候，就亮起一阵阵强烈的闪光。这种闪光是从“万次闪光灯”发出的，它就是脉冲氙灯的一种，当然是一种微型轻便的脉冲灯。以前用的有一种像白炽灯泡那样的单次闪光灯，用一次换一个灯泡。这种单次闪光灯和万次闪光灯完全不同，它不是放电灯，也许可以称为化学灯。为什么叫它化学灯呢？这种灯泡中存有细的锆丝，还充氧气。灯一开，3～15伏的电池把里面的钨丝点亮，就像打一下自来火一样，引起锆和氧发生剧烈的燃烧反应。化学反应放出大量的热，把反应中产生的二氧化锆加热到白炽，从而发出耀眼的闪光。因为化学反应提供了发光的能量，所以不妨称为化学灯，也可称为燃烧式闪光。这种灯的闪光时间只有1/20秒，锆丝一次烧完，不能再用。万次闪光灯利用放电发光，可以用5千到5万次。它的色彩比单次灯更接近日光，发光时间只有千分之几秒，但亮度高，适合于彩色摄影，特别是高速摄影。拍摄短跑运动员赛跑，或是拍摄飞行的子弹，如果用1/20秒的速度，只能得到一片模糊的图像，因此必须采用快速的脉冲氙灯。新型脉冲氙灯的发光时间仅百万分之几秒。 脉冲氙灯能发出很强的近红外线，它的一个重要用途是作为红外线激光器的激发源，称为光泵。比如在工业上作为打孔、焊接等用的固体激光器，产生激光的物质是掺一种稀有金属钕的特种玻璃或特种晶体，一般制成圆棒，把棒和脉冲氙灯平行地放在一个四壁反光的聚光器内。脉冲氙灯发出的强光照射到棒里，使棒里的原子受到激发。在一定的条件下，就能发出激光。这里，脉冲氙灯的作用，有点像水泵把水泵到高处一样，它把激光物质中的原子“泵”到激发状态，随后发光，所以称为光泵。 一般激光物质受到氙灯激发后，发出激光的能量只有光泵能量的百分之一左右。但是，激光不像普通的灯那样，把光射向四面八方，而是集中地发出一束很细的光束。就是因为能量高度集中，亮度可以比太阳高出好多倍。脉冲氙灯虽然功率大、亮度高，但是照在金属板上时，金属板纹丝不动。而激光呢？能量虽然比氙灯小得多，但因为能量高度集中，照到金属板上时可以立即打出一个小洞来。 激光是比一般的灯更重要的一种新光源。它的出现引起整个光学的一场革命；它也是科研、工业生产和国防上非常有用的光源。 还有一种脉冲氙灯，称为频闪管。它不像光泵氙灯那样每秒只闪几次，或一、二分钟内一次。频闪管的能量小，闪得快，每秒钟闪1000次左右。这是真正用来测量转速的光源，当然它不是像我们前面说过的那样用来测唱机转速，而是用在科研上、工业上测高速旋转的转速。 形形色色的新灯 从1961年到1965年，往高压汞灯里添加碘化钠、碘化铊、碘化铟的金属卤化物灯首先得到了发展。 后来用作“添加剂”的金属卤化物越来越多，结果证明，除了剧毒、不稳定以及蒸汽压太低的卤化物被排除在外，大约找到50多种金属的卤化物可以用来做灯。一种灯可以只用一种金属卤化物，也可以用两种、三种以至更多，这样就可以做出很多很多品种的灯。 但是，可以做灯和能够做成适用的灯却是两回事，前者何止千万，后者不过十几。而且同卤钨灯一样，目前已经制成的金属卤化物灯，绝大多数使用的是金属碘化物，包括碘化钠、碘化铊、碘化铟、碘化镝、碘化钬、碘化镓、氯化锡等等，因而也就有钠铟铊灯、铊灯、铟灯、镝灯、锡灯之别。 根据不同的需要，放进不同的金属卤化物，可以制造出辐射不同波长的紫外灯、可见光灯和红外灯。而在可见光灯之中，又可以得到各种色彩的光，如钠原子发橙黄色光，铟原子发紫蓝色光，铊原子发绿色光等等。把一些金属卤化物适当组合起来，还可以获得发光效率很高的白光。 功率大，光色好，发光效率高，重量轻，体积小，安装使用方便，这些都是金属卤化物灯的长处。 较早问世的钠铟铊灯，发出明亮的令人满意的白光，光色比高压汞灯更好、更漂亮，而且不必涂荧光粉。 钠铟铊灯发光又白又亮的奥秘，在于它把钠、铟、铊等几种金属蒸汽所发的光集中起来。其中钠主要发黄光，铟主要发蓝光，铊主要发绿光，它们按一定的比例相互配合，发出的光就比汞灯好看得多。发光当中，紫外线很少，黄、绿光人眼又很敏感，所以有很高的发光效率。如果再加一点发红光的碘化锂，那色彩就更加完美；再加一点锡，可延长灯的使用寿命达两万小时。 这种充填碘化钠、碘化铟、碘化铊的新灯，不仅可以取代汞灯作街道、广场、体育场、车站、机场、码头等的大面积照明，甚至一些商店、市场和展览会的室内照明也可以用它。 与此类似的一种新灯叫钪钠灯，灯内充碘化钪和碘化钠，曾使用于北京陶然亭游泳池。用1500瓦的钪钠灯代替原来的1000瓦溴钨灯和450瓦高压汞灯，游泳池水面的平均照度可提高5倍左右。 镝灯同超高压汞灯类似，它里面充有碘化镝和碘化钬，所以也叫镝钬灯。这两种金属蒸汽都发白光，接近日光的颜色，而且发出的紫外线和红外线不多，所以发光效率很高，等于氙灯的两倍。为了改进光色，还加进一定量的碘化铊，增加绿色光。这样，总的光效就跟钠铟铊灯不相上下，光色则与日光更接近。 把物体放到镝灯灯光下，跟我们在太阳光下看到的物体的颜色几乎一致，这就使它有可能取代碘钨灯和拍摄外景用的大功率碳弧灯而成为一种新的电影光源。它的发光效率高，比碘钨灯高2～3倍，一只1000瓦的镝灯的亮度差不多相当于80只100瓦的白炽灯。它比碳弧灯小而轻，3000瓦的镝灯比15000瓦的碳弧灯还亮，而体积只有碳弧灯的1/3，重量只有碳弧灯的1/8。 碘化铟是一种比较容易蒸发的金属卤化物。在钠铟铊灯中，它的蒸汽压最高，大约1个大气压，发蓝紫色光。铟灯里碘化铟的蒸汽压超过10个大气压，铟蒸汽放电发出白光，与日光比较接近，这样的铟灯也叫做超高压铟灯。 只有几厘米长、体态小巧玲珑的超高压钢灯，构造和发光效率都与超压汞灯相似。但是铟灯的光色比汞灯好得多，可以用于彩色显示。用铟灯放映电影，银幕上的画面显得色彩鲜艳，清晰逼真。另外还因为铟灯里的碘化铟蒸汽压高，所以只需充进一点氩或氙做辅助气体，不必充水银，可以免除水银的污染和危害。 我们通常都希望灯光接近日光，但是有时也需要各种彩色光。灯管里装进不同的金属卤化物，就能得到各种不同色彩的灯光，有的鲜红，有的翠绿，有的靛蓝，有的绛紫，真是五光十色，鲜艳夺目。为了获得彩色光，可以采用多种不同的办法，而从鲜艳和高效两方面来考虑，最佳选择还是采用单一金属卤化物灯。 充进碘化铊金属卤化物灯叫铊灯，铊原子受激发放单纯的绿色光，是最受人们欢迎的绿色信号灯。铊灯在合成锦纶的生产中扮演着重要的角色，生产锦纶时用强烈的绿光去照射能加速化学反应，缩短工艺流程，提高合成效率。铊灯的绿光在海水中有很强的穿透力，可以照亮一大片，用作水下电视的照明光源。 同样，单用一种碘化铟放电发蓝光，单用一种碘化锂放电发红光，可以分别制成漂亮的蓝灯和红灯。用其他单一的金属卤化物也能发出各种颜色的光，用来做成各种颜色的信号灯和装饰灯，装点街道大厦，华光四射，色彩纷呈，更添节日欢乐气氛。 一般的金属卤化物灯充的都是碘化物，极少数也有充进其他卤化物的，比如锡灯里充的就是氯化锡等。这还不算，在一般的金属卤化物灯里，发光的主角都是金属原子，而在锡灯中，金属卤化物并不分解，它是以卤化物分子 （比如氯化锡分子）的形式整体发光的。 锡灯的构造也和高压汞灯相像，灯里充有氯化锡、碘化锡和水银，或碘化锡、溴化锡和水银。因为锡灯放电时不是金属原子发光，而是卤化锡分子发光，分子发光比原子发光的色彩更丰富，而且连成一片，所以锡灯发出的光和太阳光最接近，从色彩上讲是真正的太阳灯。加上它还有发光稳定、闪烁小的优点，锡灯实在是一种高质量的室内照明灯。用于美术馆、展览馆照明，用于印刷、染色和摄影，可以保证色彩不失真；用于模拟太阳光，可以进行植物生理等科学研究。 类似的还有充碘化铝的铝灯，放电时也有大量的分子发光，显色性很好。这种灯还有一个有趣的特性，改变灯管的温度可以在一定的范围内调节灯光的色彩。 年龄最小的灯，也是潜力最大的灯。作为后起之秀，金属卤化物灯前程似锦。可它毕竟是一类发展中的灯，锋芒初露，不够成熟，有的稳定性不好，有的寿命较短，有的启动困难，有的装置复杂等等。总之，还有一系列的技术问题有待解决。 但是有一点可以肯定，同白炽灯、荧光灯的出现一样，金属卤化物灯的问世使气体放电灯的发展进入了一个新阶段，开创了一个新局面，将引起照明工业发生一次大革新。 只见亮光不见灯 以上，我们所谈的各种新灯，除了卤钨灯以外，都是放电灯。卤钨灯把电能转化为热能，由热激发发光；放电灯把电能转化为放电，放电激发发光。现在所用的光源尽管千差万别，发光的过程基本上是这两种。本世纪二、三十年代发现了一种发光过程完全不同的新光源，现在已经实际应用。这种新光源就是场致发光灯，也叫固体发光灯。 有这么一间房间，里面既没有灯泡，也没有荧光灯管，连一只台灯都没有。这样的房间到夜里该一团漆黑了吧！正相反，电钮一开，整个房间都放出微带绿色的光，你在里面可以看清字典上的小字。为什么只见亮光不见灯呢？原来房间里用的不是常见的灯，而是围绕着房间的四壁有一种新光源——平板式场致发光灯。这并非是“天方夜谭”，而是现代科学的新成就。 在大型体育馆里，你会看到一种新型记分牌，记分员一按电钮，它就自动变换记分；记分牌上的阿拉伯数字发出清晰、明亮而又柔和的黄绿光，这也是场致发光灯。在飞机机舱里，你会看到“No Smoking”（禁止吸烟）的信号牌，上面的字符发出醒目的红光，这也是一种场致发光灯……国外还有人想用场致发光灯做成显像管，一只显像管比一块黑板还薄，图像比玻璃的真空显像管大得多。如能用这样的显像管制成电视机，将会受到大家的欢迎。什么叫场致发光呢？这是指有些固体能在电场的激发下直接发光这样一种现象。平板式场致发光灯像一块很薄又很大的夹心饼干。夹在中间的是发光主体——一层由荧光粉和树脂或搪瓷混合成的荧光粉层，有时还多加一层保护层，防止荧光粉层在电场下击穿。两块“饼干”，一块是透光的玻璃板，上面涂上透明的导电膜，作为灯的一个极；另一块是金属片，既当电极，又可以反射光。这层“夹心”——发光层不到1/10毫米厚，两面的“饼干”也很薄，整个灯像一块薄板，和我们日常见到的灯没有一点相像，难怪人们认不出来。这种灯的发光层上要加上电场才能发光，所以，电极是什么形状，发光也就是什么形状。如果把电极分成许多小格，有些小格加上电场，有些小格不加电场，加电场的发光，不加的不发光，这样就可以组成各种图案、数字或文字。进一步，还可以控制电场加入的方式，产生各种变化。格子分得很细，成为一个个小点，电场变化得快，就可以显示电视图像。 实用的荧光粉主要是高纯度的硫化锌晶体，掺入一点金属杂质做激活剂。所掺杂质的成份不同，比例不同，发光的颜色也不同。可以发出蓝、绿、黄光，其中以绿光材料最好，所以一般场致发光灯都是绿色的。要得到红光，可以在玻璃表面涂上有机荧光涂料，把黄绿光转化为红色荧光。有了这许多色彩，配起来就可以得到白光。真是色色俱全，五彩缤纷。 场致发光灯的电源可以是直流，也可以是交流的，以交流电源为主。飞机上有400赫的交流电，是场致发光灯最好的电源。 这种灯的理论光效很高，约100流明/瓦。而实际上受制造工艺的限制，最高只有15流明/瓦，不比普通白炽灯高多少，大批生产时光效更低。它的突出优点是耗电少，每平方厘米约一毫瓦，一块记分板耗电不到一瓦；寿命长，可以用几万小时，相当可靠。它是名副其实的冷光光源，再加上结构简单，所以虽然目前光效低、价格高，仍是一种使用广泛的指示、显示灯。 除了前面提到的几种用途以外，场致发光板可以做收音机和电视机的调谐标度盘、公共场所出口信号灯、汽车仪表盘和公路的路标牌等。飞机上要用耗电少、重量轻的光源，场致发光灯恰好能满足这些要求。机舱信号、控制板照明、地图阅读器等都用上了场致发光灯。在科研中，场致发光板还可以做成图像存贮板，用来显示γ射线、χ射线、紫外线以及红外线等不可见射线。 当然，场致发光是一种发展中的新光源，发光材料的性能和灯的性能都还要进一步提高，才能发挥更大的作用。 明天更光明 时代的列车在飞奔，“不满足”是这一列车的轮子，载着人们滚滚向前！ 人类和黑夜进行了几十万年的斗争，近百年来取得了辉煌的胜利。特别是白炽灯出现以来，照明领域发生了翻天覆地的变化。白炽灯到本世纪初发展成钨丝白炽灯。而电弧灯到了本世纪发展成30年代的荧光灯，40年代的高压汞灯， 50年代的氙灯，60年代的金属卤化物灯、高压钠灯，70年代的无极荧光灯等等，形成了庞大的照明工业，真是万紫无极荧光灯千红，争光斗艳。灯的性能也越来越好，光效从爱迪生第一只实用白炽灯的每瓦 1.4流明，提高到高光效灯的每瓦140流明，整整提高100倍。灯的寿命从几小时提高到几十万小时。最亮的光源可以比太阳还亮（如激光），最大的放电灯长度在一、二米以上，功率几十万瓦；最小的白炽灯泡直径不到0.8毫米…… 但是人们并不满足，还在不断努力、不断探索、不断前进！人们要使最少的电能发出最多的光能，要用最少的钱获得最好的灯，达到尽可能好的照明效果，要使照明灯的使用寿命越来越长。总之，人们还在努力寻找经济、长寿、方便和高光效的光源。 热辐射灯的特点是发连续光，使用方便；缺点是寿命短，光效低，大量电能变为热损失。充气或用卤钨循环原理制成的灯，光效虽有提高，人们还是不满足。继续改进的一条途径是提高热辐射灯的灯丝工作温度。例如氟钨循环就是一种方法，如能实现，可以稍稍提高工作温度，提高光效和寿命。另一条途径是找熔点更高的材料，这样的材料早就发现了，而且不止一种，但是有的加工性能差，有的容易蒸发，有的在高温下不稳定。比较好的是碳化钽，熔点达4150K，1963年已经克服加工困难，用来做白炽灯，工作温度达到3500～3600K，光效和光色均有改善。 还有一种想法是：既然白炽灯中有大量的热损失，其中大部分是红外辐射，能不能把红外辐射利用起来呢？从根本上讲，这种想法更富有创造精神，因为白炽灯中可见光能只占5％～6％，而红外辐射却占75％左右。如能利用起来，光效就不是10～20流明/瓦，而是100～200流明/瓦了。世界上点这么多的白炽灯，如能把光效提高10倍，90％的电能就可以省下来，这将是一项多么重大的改革啊！有没有人想过这小灯泡里的大事业呢？确实有人在想。提出来的一种方法是在白炽灯泡壁上涂上一层红外反射层，透过可见光，把红外线反射回去加热灯丝。另一种方法更妙，要找一种特殊材料，直接把红外辐射转化为可见光。对这两种方法都在做研究，也取得了一定的进展。 气体放电灯是一种正在迅速发展、日趋成熟并在广泛使用的光源。它的特点是高光效、长寿命、花色品种繁多；主要缺点是使用不如白炽灯方便。这种灯也在不断改进和发展。现在，已经试验成功一种高频无极荧光灯，它兼有荧光灯和白炽灯的优点：光效高，寿命长，使用又方便。它的外形和100瓦的白炽灯泡一样，不过它有内外两层泡壳组成，泡壳之间抽真空，充入一定量的汞和氩，外层泡壳的内壁涂荧光粉。它和荧光灯、白炽灯都不一样的地方是没有灯丝。它的灯头上有一个高频电子组件，把220伏交流电变为高频电流，通过磁性线圈在灯泡内形成高频电磁场。在高频电磁场作用下，氩汞混合气体中产生高频放电，发出强烈的紫外线，然后荧光物质把紫外线转变为可见光。用无极荧光灯代替白炽灯，可以节省60％～70％电能。这种灯目前正从实验室走向工厂，是一种有前途的新型荧光灯。 同时，人们利用稀土铝酸盐荧光材料，制成了红、黄、蓝三基色荧光粉，可以制成光效和光色兼优的荧光灯。其他如高压钠灯和低压钠灯正在继续改进。一些金属卤化物的新灯也在继续发展，还在研究进一步提高气压、简化结构、改进工艺等方面的问题，以便使之更加实用。 另外，人们还发明了一种利用放射性同位素激发荧光粉发光的灯，叫做原子灯。这种灯不用电源，可以自动发光，寿命达十几年，使用也比较方便可靠。不过，它还在发展阶段，不够完善。 为了寻找更理想的灯，人们还在研究怎样跳出白炽灯和气体放电灯的框框，作更大胆的设想，研制发光原理根本不同的新光源。 从能量利用的角度考虑，用电的光源并不理想。目前的电能大多是从燃料燃烧产生的。燃烧产生热来推动发电机，从化学能转化为机械能，然后发电机发电，再从机械能转化为电能，总的转换效率只有30％左右。电能再转变为光能，平均效率约10％。所以从化学能转化为光能的总效率才3％。能不能把化学能直接转化为光能呢？能，自然界给了我们种种启示。自然界中存在许多发光的动物，萤火虫就是其中的一种。 夏夜在农村里乘凉，经常会看到萤火虫慢慢地闪动着黄绿色的光。据说，古时候还有人把许多萤火虫捉来当灯。萤火虫发的光是由一种叫“萤光素”和一种叫“萤光酶”的物质和氧气产生化学反应时放出来的。经过研究，人们发现萤火虫发光的能量转换效率高达97％！我们现在用的光源距离这样的水平还远着哩。真是科学无止境啊！目前有人研究把镁氧化时的化学能转化为光能，制成镁光灯。在古老的照相馆里曾用过这种镁光作光源，淘汰了几十年后，人们又想到它了，据说现在这种灯的效率已可达到10％。 还有一种设想是利用世界上最大的能源——太阳。目前利用太阳能，主要是使它转变为热，例如太阳灶；或使它转变为电，如太阳能电池。是否可以用太阳来照明呢？白天利用太阳比较方便，建筑物采光性能好，就可以直接利用太阳光。采光不好的，也有可能通过高效的光学装置把阳光引入室内，国外已经有人在做这方面的实验。晚上呢？目前还没有太好的办法。是否可以大胆地设想，将来会发明一种蓄光系统，将白天的阳光储存起来，到夜间放出来供人们使用呢？应该是可以的。从某种意义上讲，整个科学技术史就是由大胆设想、刻苦钻研和辛勤劳动构成的和谐而美妙的乐章。大胆设想、刻苦钻研和辛勤劳动将为科学技术发展带来美好的未来，也将使未来的灯更加光辉灿烂！ |
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