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氘灯的结构原理及其特性常州玉宇电光器件有限公司蒋永平殷尧平氘灯是紫外分光光度计，液相色谱仪及各种紫外检测器中的目前最为理想的紫外光源。随着国内高端紫外仪器发展，要求国产氘灯的性能也要有所提高。我公司针对这个市场要求，近年来在提高氘灯的品质上作了不少工作，目前也初见成效。下面就氘灯的结构、原理以及使用方法做如下概述：一，氘灯的结构：该灯的横截面如图1所示：它由阴极、阳极和屏蔽罩组成。为了避免阴极电弧光斑干扰，在阴极旁设置了一块挡光片。光栅是设计成半球形反光碗状使光输出集中，提高其辐射强度。光窗成矩形的利于增大其辐射角。灯的外壳采用透紫率极高的石英材料。管内充有数托高纯氘气。该灯的结构与国际上一致，但又具有自己的特点：即为了保证氘灯具有良好的启动特性。在灯的屏蔽罩引出线上悍上一只电阻与阳极引出线连接，这样使屏蔽罩带有正电位（相对于阴极）并与阴极距离很近，起到了加速极（好比电子管中栅极）的作用。当阴极发射出电子后经加速极加速，从而更有利于激发和电离氘分子，达到降低灯管点燃电压的目的。实践证明此设计方案切实可行。近两年进口氘灯（日本滨松）大概受到国产氘灯的启发，也采用了类似的方法（加一个电容或电阻）来适应国内整机的特性，解决了以往日本灯用于国内的机器上难以点燃的缺点。二，氘灯的工作原理：氘灯工作于气体放V-A电特性曲线弧光放电区，它的发光是利用氘气放电正极区的光柱输出。其放电机理的阐述见图2、3、4所示：图2是将氘放电灯、等效成典型的平版状放电管。由于宇宙中存在射线或其它辐射源。使管中存在游离态的电子和离子。当在阳极、阴极间加上一个电压后，会产生图3所示的V-A特性。图2典型平板状放电管及电路图3平板状放电管V-A特性石英外壳光栅光窗屏蔽罩阴极挡光片阳极图1.d气体阴极阳极＋－EAABCD电压电流图3中所示A-B段电流是随电压增加而上升，其上升的斜率取决于剩余电子和离子的浓度。B点之后所示了电流不随电压上升的饱和状一直到C点。这是由于管内剩余电子和离子是一个常量、都参与输送电流之故。若进一步增加电压、电流则产生C到D急剧增加的现象。这是由于管内剩余电子和离子获得足够的能量给予氘气体分子。使其激发、游离所致。此现象称之汤生放电。如果将一个合适的电压加到该放电管上，使其放电电流在10-4~10-2A数量级，这是由于正离子碰撞阴极产生了二次电子发射所引起的放电。此时阴极位降相对较高（几十至几百伏）这种情况称之为辉光放电。当放电电压继续升高，加剧了气体分子的激发和游离，使大量的正离子在电场加速下碰撞阴极，引起阴极热电子发射此时阴极位降陡然下降，电流很快上升、形成了弧光放电如图4所示：图4气体放电V-A特性曲线对于氘灯来说、启弧之前是依靠独立的电源来加热阴极，使阴极产生热电子发射，在加速极的作用下很快到达阳极，在这过程中电子与氘气分子剧烈的碰撞，使氘气分子激发，电离。很快的从辉光极电，过度到弧光极电，使氘灯正常工作。启弧后则是依靠正离子轰击阴极及灯管电流，流过阴极表面加热阴极（启动后切断阴极加热的情况下）使阴极维持电子发射，对于氘灯启动后还维持一定灯能电压（电流）。则阴极热量还有维持电流通过阴极的焦耳热使灯管稳定工作。三、氘弧灯的特性1、光谱特性：从氘弧灯的工作原理可知，当在阳、阴极间和阴极回路中加上适当的电压后，阴极发射电子，在电场的加速下向阳极运动。在这过程中与氘分子发生非弹性碰撞、使氘分子处于激发、电离态，被激发的氘分子从激发态返回原来状态时，将能量以辐射形式放出形成了如图5所示的氘光谱。图5所示的是氘灯的典型辐射强度的相对光谱分布特性。从图中可知在220~230nm处是一个峰值，在200nm至360nm范围内有良好的连光谱特性，在可见区及lyman区包含有线光谱。图5：氘弧灯的辐射强度光谱分布30020010001010101010-5-4-3-2-110101012常规光放电正常辉光放电反常辉光放电过渡状态弧光放电VA相对强度%020030040050060070020406080100三重项一重项图中一重项区为低能态电子激发氘分子发光，三重项则为高能态电子激发氘分子使其在激发态之间跃迁产生的辐射，图6所示的是由激发态1ss2ss3∑g态跃进迁至1ss2ps3∑u态时放出辐射能。图6：能量状态图波长在170nm以下由于受光窗材料和空气吸收等原因，辐射很弱。泡壳材料一般采用在160~370nm有较好的透过率的石英材料，或采用在185~370nm有较好的透过率的透紫玻璃窗口，若采用MgF2作光窗材料时则在115~370nm有较好的透过。下图7、图8分别表示石英，透紫玻璃和MgF2光窗材料的透紫特性。图7光窗材料透过率图8MgF2光窗的透过率01514131211109876512341ss2ss3∑g1ss2ps3∑u核距离100806040200100806040200160200240280320260110120130140150160170熔融石英（厚1mm）透紫玻璃（厚0.8mm）测试条件：1，真空度：1*102，光栅：1200条/mm3，闪跃波长：150nm-52、电特性图9所示了氘灯的基本电路和放电特性。图9基本电路和放电特性从（b）中可知氘弧灯具有“负阻”特性。负载线与灯的伏——安曲线有两个交点，描述了灯管的两个工作点。B点为稳定工作点，A点是不稳定工作点。若电路中Ebb固定不变，Rs值应满足灯电流为300mA为最佳（此值是目前国内外30瓦氘灯公认的工作电流值），能使该灯工作在稳定点，如果电流过大，则会引起阴极过热而蒸散，过小则会引起阴极在冷态工作条件（或欠热条件）下工作，阴极也会损伤，为此电路中串联Rs来调节灯的工作电流值是必不可少的。3、灯的寿命：氘灯的寿命通常以下述两种情况下任一种现象出现时所定义。1它的辐射强度跌落到初始值的50%时；2灯的噪声大于0.1%时。灯的辐射强度跌落除与灯的质量有关外，与灯的光窗材料受紫外辐射后透紫率的变化有关。四、氘弧灯的应用方法探讨：要得到良好的使用效果，除了灯管设计要精良之外，与正确使用否关系甚密。讨论如下：1、点灯电路如图10所示图10：氘弧灯的点燃电路EPRsEbbIPUF基本电路�a�负载线EbbAB放电特性�b�VsRCVf氘灯触发开关恒流源RS（100）-150Ω300mA图所示的是一种堆荐电路，它有三个部分组成即触发电路，主电源和灯丝加热电源。1触发电路：是用一只充电电容C对灯提供一个触发电压，保证其输出电压不低于350V。由于氘灯在寿命过程中阴极会疲劳及发射性能衰退回使灯的着火（启辉）电压增加，为此国外生产电源的触发电压提高到500~650V，以保证灯管在寿命过程中能良好的点燃和延长的使用寿命。2主电源（恒电流）其稳定度必须优于0.1%/4小时，并要求其能与灯的额定电流相匹配。该电源能提供输出150~160V电压值。3灯丝电源：灯丝电源必须能提供给阴极最佳的工作温度，并在施加触发压之前能给阴极予热一些时间（一般在10~60秒）。对于灯管着火后还需保持一定灯丝维持电压灯管来说，此电压必须是极为稳定直流供电，否则会给灯带来噪声。另外此维持电压必须小于予热时的电压。例予热电压为10V，维持电压在3.5V左右。予热电压为2.5V，维持电压应在1V左右。2、影响灯辐射强度稳定性的几个因素：1灯电流的影响：图11：灯辐射强度与灯电流特性图11告诉我们灯辐射强度与灯电流稳定性关系十分重要，见图11所示。在300mA范围内，其输出强度与灯电流关系变化大约是0.3%/mA，所以要达到辐射强度稳定度±0.1%，电源的稳定度应保证在0.1%以上。1对于氘灯工作时不切断灯丝电源。其灯丝电源稳定性甚为重要、最好要求直流供电，否则直接会影响到灯的稳定性。如图12所示：12010080604020150200250300350相对强度%阳极电流（mA）+4+20-2-4-6-3-2-10+1+2+3+4+5+6+7辐射强度额定工作电压灯电压灯丝电压变化量%图12灯丝电压与辐射强度，灯电压的特性曲线图0.60.40.200.20.40.6200mA孔径mm图14：辐射强度在光窗中分布曲线2环境温度影响：如图13可知，温度对灯管性能影响更大，大约以0.2~.3%/C。的变化。图13辐射强度与环境温度特性曲线它导致了输出强度随温度增加而下降。其原因是由于泡壳内氘气压力增加所致。故氘灯应用时，应进行温度控制，实用时不能风扇直接吹，因为这样会破坏周围环境温度的平衡，影响灯的稳定性。3安装调试时应注意的问题：根据有关资料报导：光窗中光强分布大部分集中在直径0.4的空间如图14所示：（见下页）从图可知光窗中光强分布是不对称的，包含面积大的一边是靠阴极一边，为此在安装调试时该注意此问题。脉冲应用氘灯、大功率水冷氘灯（200W）等二十二个品种。为此，我们将继续深入研制工作。120110100908070-40-200+20+40+60+80+100+120100%(25Cº)275nm250nm225nm200nm温度（Cº）50