陳海深

（廣西師范大學物理科學與技術學院，廣西 桂林 541004）

1 美麗、神奇的輝光球

圖1為直徑約15cm的高強度玻璃球內(nèi)中央有一個黑色球狀電極，球內(nèi)閃耀著大量如同火舌一般美麗的弧光，成均等的輻射狀向四周發(fā)射，極具神秘的夢幻色彩.若用手撫摸球體或用手指輕觸玻璃球的表面，手指移到哪，燈里的光線就會聚焦到哪，明亮、彎曲、多色而且?guī)в蟹植娴募毷鴰谷速p心悅目，發(fā)出美麗、神奇的輝光.如果輝光球周圍有音樂或聲響（包括掌聲、咳嗽聲等）時，光束會隨著旋律和節(jié)奏不斷地改變，伴隨著一切聲音而散發(fā)出魔幻光線，極富動感，使原本不均勻不穩(wěn)定的光束更加變幻無窮.如果在黑暗中，那將更加好看.

圖1 美麗、神奇的輝光球

2 輝光球主要結(jié)構(gòu)

圖2為輝光球的結(jié)構(gòu).下端同軸圓柱部分是用于引入激勵電源的天線.玻璃外球直徑從127－229mm可設計成系列.內(nèi)球直徑約20－40mm；工作氣體是以氖為基質(zhì)或以氦為基質(zhì)的混合氣體，摻入氦（或氖）、氬、氪、氙、氮氣、氫氣等其中的幾種雜質(zhì)氣體，可配出不同的光色.球內(nèi)氣體壓強不同，所產(chǎn)生的輝光顏色也不同.

人有時用手觸摸，放電腔又是用玻璃制成，所以絕不允許放電腔內(nèi)的氣體處于正壓（超過1個大氣壓）的狀態(tài)，也不允許處于很大的負壓狀態(tài).放電腔內(nèi)總氣壓可用氣態(tài)方程計算

設該光源的工作溫度為0～50℃，在50℃時放電腔內(nèi)總壓強為100kPa，則0℃時為84.5kPa，若制燈工作室的環(huán)境溫度為20℃，則可算出充入放電腔的總氣壓為90.7kPa.

圖2 輝光球結(jié)構(gòu)

玻璃球中央有一個黑色球狀電極（另一個電極在無窮遠的空間），球的底部有一塊振蕩環(huán)氧電路板，通過電源變換器將12V低壓直流電轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l高壓加在電極上，產(chǎn)生高頻電場.圖3中電源天線的作用是把驅(qū)動電路產(chǎn)生的高頻高壓輸入放電腔.彈性金屬絲球和導電層的作用是使激勵信號均勻分布于玻璃內(nèi)膽，使放電束在放電腔內(nèi)分布比較均勻.若放電腔中工作氣體是以氖為基質(zhì)，則滿足功率放電時發(fā)出成百上千條放電束.放電束的頂端為桔紅色花瓣，近內(nèi)膽處為桔紅色線條，中間為海藍色細線條.每條由高度收縮的流光放電產(chǎn)生的放電束在不斷舞動.

當功率調(diào)節(jié)鈕調(diào)至最小狀態(tài)時，放電束兩端為桔紅，中間為海藍的短線.控制調(diào)節(jié)鈕，例如聲音控制，在聲頻（例如音樂）的激勵下，放電腔內(nèi)的放電束會發(fā)生多—少、長—短變化，其聲—光效果美不勝收.電源有通斷和聲控、非聲控3檔選擇開關.

當功率調(diào)節(jié)鈕處于較大狀態(tài)時，即在球中央的電極周圍形成一個類似于點電荷的場，由于球內(nèi)稀薄氣體（低氣壓氣體）受到高頻電場的電離作用而光芒四射.由于電極上電壓很高，故發(fā)出一些輻射狀的輝光，在黑暗中非常好看.當用手（人與大地相連）輕輕觸摸玻璃球表面，人體即為另一電極，球周圍的電場、電勢分布不再均勻?qū)ΨQ，氣體分子在極間電場中激發(fā)、碰撞、電離、復合而發(fā)生輝光，輝光在手指的周圍處變得更為明亮，即放電束收縮聚合成一條掃動的弧線順著手的觸摸移動而游動扭曲，隨“指”起舞.形態(tài)如夜空的閃電.

輝光球還內(nèi)置聲控功能，它能隨聲或樂曲的音律高低變化而改變光束.

輝光球激勵電源的驅(qū)動電路由以下電路組成：

① 市電轉(zhuǎn)換電路：市電220V轉(zhuǎn)換成50V和12V；

② 振蕩電路：頻率為15～30kHz；

③高壓電路：將15～30kHz的高頻電壓升至8～20kV

④ 控制電路：聲控.

⑤ 調(diào)節(jié)電路：調(diào)節(jié)激勵功率、調(diào)節(jié)控制訊號強弱.

對于小尺寸的放電腔宜用高頻率低電壓驅(qū)動；反之，大尺寸的放電腔宜用低頻率電壓驅(qū)動.

3 輝光球的發(fā)光原理

輝光球又稱為閃光球、魔（光）球、電離子魔幻球、靜電離子球燈、等離子（體）光球，英文名：Plasma Light或glow lamp.等離子體是部分或完全電離的氣體，由大量自由電子和正離子以及中性原子、分子組成.等離子體在宏觀上是近似電中性的，即正電荷與負電荷幾乎處處相等.

普通的火花放電是一種斷續(xù)的放電現(xiàn)象，但當高頻電場施加于特殊結(jié)構(gòu)的氣體放電腔時，斷續(xù)（又不斷產(chǎn)生）的火花放電可以形成準連續(xù)放電.

高頻氣體放電的激發(fā)源有兩種：一種是用高頻電場（類似回旋加速器中的高頻電場）直接激發(fā)，稱為E型放電；另一種用高頻磁場激發(fā)，稱為H型放電.輝光球?qū)儆诹鞴夥烹娫淼幕鸹ǚ烹姽庠?，高頻流光放電光源采用的E型方式激發(fā)放電.在交變電場E＝E0cosωt中，電場頻率和放電距離達到一定值時，振蕩的電子和離子碰撞氣體分子產(chǎn)生新的電子和離子.在足夠高的電場強度作用下，產(chǎn)生足夠多的電子和離子，使氣體完全擊穿.此時，氣體的擊穿與放電腔內(nèi)是否存在電極無關，于是可以把電極放置到放電腔外，形成高頻“無極”放電.

在直流或低頻放電中，燈的發(fā)光可以用湯生放電理論去描述，該理論是基于在陰極上的次級發(fā)射過程使電子雪崩逐漸發(fā)展起來.而輝光球的光源，電極安置在放電腔之外，電極上的次級發(fā)射已不復存在，所以只有用流光放電理論予以解釋，即只考慮單個電子雪崩的發(fā)展而形成氣體擊穿的機理.當施加電場于氣體時，只要有1個電子（例如由宇宙射線電離所致）通過電場，這個電子受加速轟擊氣體分子產(chǎn)生雪崩引起了放電的迅速擴展（擴展過程比湯生放電快一個數(shù)量級），最終導致通過放電空間的流光出現(xiàn).

在通常情況下，氣體中的自由電荷極少，是良好的絕緣體.但在某些外界因素（如紫外線、X射線以及放射線的照射、氣體加熱或強電場等）的作用下，氣體分子可發(fā)生電離，氣體中出現(xiàn)電子和正離子，這時在外電場作用下，電子和正離子作定向漂移運動，氣體就導電（稱為氣體放電）.通常把氣體放電分成兩種類型：（1）被激導電.依靠外界作用維持氣體導電，且外界作用撤除后放電即停止.（2）自激導電.不依靠外界作用，在電場作用下能自己維持導電狀態(tài).

圖3 氣體的導電規(guī)律

氣體的導電規(guī)律如圖3所示.在充有氣體的密封玻璃管內(nèi)裝有兩個電極，把它們與電源的正負極相連，并逐漸增加電壓.當電壓U較小時，電壓U與電流強度I的關系如圖3中曲線OA段所示，服從歐姆定律.當U增加到曲線中的BC段時，電流達到飽和值.如果電壓繼續(xù)升高，電流又隨著電壓的升高而升高，即曲線的CD段.在這一階段中，因為電子與正離子在分別向陽極和陰極運動的過程中獲得了較大的動能，當他們與中性分子碰撞時，足以使中性分子電離，從而產(chǎn)生出新的電子和離子.上述的導電過程都是必須依賴于外界的電離作用而維持的，屬于氣體被激導電.當兩電極間的電壓進一步增加到UD時，電流將突然增加，同時極間電壓突然下降，即曲線中的DE段.這是因為產(chǎn)生了雪崩式的碰撞電離.此時即使撤去外界的電力作用，導電過程仍然繼續(xù)進行，屬于氣體的自激導電.

在氣體自激導電時，往往伴有發(fā)聲、發(fā)光等現(xiàn)象.當氣體由被激導電過渡到自激導電時（氣體已被擊穿或已被點燃）.使氣體擊穿的最小電壓UD稱為擊穿電壓.氣體擊穿后，由于氣體的性質(zhì)、壓強、電極的形狀和距離、外加電壓以及電源的功率的不同，而可能采取輝光放電、弧光放電、火花放電、電暈放電等不同的形式.其中，弧光放電、火花放電及電暈放電等是氣體在常壓下放電，而輝光放電（即輝光球發(fā)光）是低壓氣體（稀疏氣體）在高頻強電場中的放電現(xiàn)象.

圖4 輝光放電特性曲線

輝光放電是低壓氣體中伴有輝光出現(xiàn)的自激導電.在低壓（約133Pa）氣體放電管中，兩電極間電壓逐步增加，并控制電流的變化，氣體擊穿后將會出現(xiàn)如圖4所示的導電規(guī)律，BD段是輝光放電，其中BC段是“正常輝光放電”，CD段是“異常輝光放電”.在正常放電時，極間電壓幾乎不隨電流而變，在異常輝光放電時，極間電壓將隨電流的增加而增加.當電流超過D點時，電壓會突然下降，這時便從輝光放電過渡到弧光放電（DE段）.

1 陳秉乾，舒幼生，胡望雨.電磁學專題研究［M］.北京：高等教育出版社，2001：374－375.

2 王妙康.高頻流光放電光源［J］.真空電子技術，1999（5）：48－50.

3 趙凱華，陳熙謀.新概念物理教程·電磁學［M］.北京：高等教育出版社，2003：309.