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廣州市譜源氣體有限公司
稀有氣體在電光源照明中的應用
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，工業生產中尚未得到廣泛的應用。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，結構穩定，通常不與其他物質反應，性質不活潑，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，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律，自上而下，隨著原子序數的遞增，它們相互間的惰性也是有差異的。例如，已經發現在一定條件下，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，當然，從總體上說，稀有氣體還是屬于化學性質極不活潑的一類氣體。
|
物理性質 |
He |
Ne |
Ar |
Kr |
Xe |
Rn |
|
原子半徑（10 |
2.7 |
2.8 |
3.43 |
3.5 |
4.05 |
-- |
|
氣態顏色 |
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 |
黃綠色 |
藍綠色 |
-- |
|
密度（1 atm, |
0.165 |
0.83536 |
1.65 |
3.479 |
5.472 |
9.73 |
|
熱容量（ |
20.81592 |
20.81592 |
20.81592 |
20.81592 |
20.81592 |
20.81592 |
|
熱容商（0~ |
1.63 |
1.642 |
1.657 |
1.689 |
1.666 |
-- |
|
折光指數（389nm，1atm, |
1.000033 |
1.000067 |
1.000284 |
1.000427 |
1.000702 |
-- |
|
粘度（1atm, |
190.14 |
313.81 |
222.86 |
249.55 |
227.40 |
229.00 |
|
沸點（1atm) |
-268.935 |
-240.08 |
-185.88 |
-153.35 |
-108.10 |
-62 |
在電光源生產中，稀有氣體是不可缺少的重要材料，幾乎所有的燈內都要充入一種或幾種稀有氣體，它們或作為發光物質產生輻射，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作為填充氣體的，由于抑制了鎢的蒸發，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，可以穿過濃霧。因此，氖燈也常用在機場、港口、水陸交通線的燈標上。氖還用于充填螢光燈、水銀燈、鈉蒸氣燈及電壓保護裝置的燈泡等。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。
氪氣（Kr）比氬氣有更高的密度和低的導熱系數，因此將氪、氙氣體充入白熾燈內有更好的效果。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，發光率可以提高，而體積可大大縮小。當然，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，高質量的鹵鎢燈中。氪氣可充填高級電子管，實驗室用的連續紫外光燈。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，例如礦井內的使用，避免瓦斯接觸電源而容易發生爆炸坍塌。氪燈的透射率特別高，因而可用于夜戰中越野戰車上的燈光。
氙氣（Xe)原子量比氪氣更大，氙氣除了作為高光效鹵素燈填充氣體外，還可以用作高壓鈉燈、HID汽車氙燈、電影放映燈、半導體光刻泵浦氙燈，電子閃光燈。氙燈還具有高度的紫外光輻射，可用于醫療技術方面。
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”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和減少汞離子對陰極的轟擊濺射。
在冷陰極發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生相應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生二次電子，經簇射過程產生更多的帶電粒子，使得氣體導電。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、氙也是深紫外準分子激光的重要激發源。
表一，稀有氣體在電光源中的應用
|
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，延長燈的壽命；
2、填充在熒光燈中，幫助啟動，保護電極免受汞離子的沖擊，同時延緩陰極上金屬的蒸發；
3、充入冷陰極放電管中，可獲得淡藍色的發光；
4、在高壓汞燈和金屬鹵化物燈中起啟動和緩沖作用；
5、在微波激發下發射真空紫外譜線（104.8nm和106.7nm），用作光化學反應源。 |
|
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，可獲得橙紅色的發光，用作指示燈；
3、在微波激發下，發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%，放電時發射白光，色溫5500K；
2、可制成鹵素混合氣體填充鹵素燈；
3、在微波激發下，發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燈；
3、氪85同位素氣體可填充入金屬鹵化物燈，幫助啟動；
4、在微波激發下，發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、在微波激發下，發射單色的真空紫外譜線（58.4nm）。 |
用氙氣做成氙燈，則能發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的工作物質外，氬氣也常作為電光源生產工藝中的保護氣體使用。
表二，冷陰極放電管中各種稀有氣體在放電時呈現的顏色
|
發光管顏色 |
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 |
Ar,Ne-Ar或Ne-He-Ar |
0.8~1.6 |
有 |
無色 |
|
中藍 |
Ar,Ne-Ar或Ne-He-Ar |
0.8~1.6 |
有 |
軟藍 |
|
淡藍 |
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 |
