七、不断的创新

人造小太阳

一九五九年，中华人民共和国成立十周年大庆的前夕，我国首都北京建成了人民大会堂、北京火车站、民族文化宫等十大建筑。建筑物本身是雄伟壮丽的，但是里面的照明设备却落后于当时的世界先进水平。有个外国人参观后，带着惋惜甚至嘲讽的口吻说伟大的建筑，落后的灯光。”

这话传到蔡祖泉同志的耳朵里，使他心潮起伏，久久不能平静。这位在旧社会只念过三年书，后来给资本家当童工，吹了九年针药小玻璃瓶的工人，当时是上海复旦大学校办玻璃仪器工厂的厂长。他虽然已经掌握了精湛的真空技术，但是对于电光源还是非常陌生的。他决心克服困难，勇攀高峰，研制出赶超世界先进水平的新灯，为社会主义祖国争光，为中国人民争气！从那时起，在党的领导和支持下，蔡祖泉同志就开始筹建复旦大学电光源实验室，并且很快投入了研制新光源的战斗。

一九六一年，高压汞灯诞生了。不久又点亮了我国自己设计和制造的第一只碘钨灯。后来又陆续生产出氪灯、氙灯等二十多种新光源。近几年来，蔡祖泉同志再攀高峰，研制成金属卤化物灯和其他更先进的灯，使我国电光源的园地里鲜花盛开，百花争艳。

这里首先介绍你跟氙灯相识。

前面已经说过，高压汞灯的发光效率高，亮度强，但是它的功率不能做得太大，而且光色偏于蓝绿，不甚好看。人们多么渴望能够找到一种功率很大而光色又非常接近日光的灯啊！

人们辛勤的劳动得到了应有的报酬，这样的新灯终于找到了，它就是氙灯。世界上第一只具有实用价值的氙灯，诞生于一九五八年。

氙是一种惰性气体，人们做充气灯泡的时候就同它打过交道。论体重，氙在惰性气体里排老二;体重越大的气体在放电过程中损失的能量越少，所以它的发光效率要比充填其他气体来得高。

氙灯的外壳是全透明的石英玻璃管，里面充有纯度很高的氙气，两头的电极是用钍-钨或钡-钨制做的。接通电源后，氙气放电发出极强的弧光,光色非常接近日光，这是它最大的优点。

“一家三兄弟”，氙灯目前有三种：长弧氙灯、短弧氙灯和脉冲氙灯。

长弧氙灯大都是管状的。短弧氙灯一般做成球形或椭球形。脉冲氙灯呢？有管形的、球形的和环形的，近年来还出现了螺旋形的脉冲氙灯。

长弧氙灯，意思就是说，它的弧光比较长，也就是电极之间的距离比较大，一般在一百毫米以上。它靠高频高压的脉冲电流来启动，不用镇流器，直接接到电网上，灯管里就会出现火花放电通道,产生大量的电子和离子，最后形成稳定的弧光放电。

管状长弧氙灯的优点是很多的：功率大，亮度强，色调好,光效高……用长弧氙灯照明，可以收到很好的效果。

功率越大，管壁温度越高。虽说石英玻璃抗热，可是表面温度也不能超过摄氏八百五十度。怎么办呢？有一个办法是对灯管管壁实行强制冷却，比方说，用循环水冷却管壁，叫水把热量带走，这样，氙灯的功率就可以提高很多。

长弧氙灯

当然罗，既要灯管，又要水套，既要供电，又要给水，水冷是很费事的。但是，水冷大大降低了灯管的温度，缩小了灯的体积，发光效率也提高很多。总起来说，水冷带来的经济效果超过了付出的代价，这还是合算的。

长弧氙灯的使用寿命取决于什么呢？

电极现在已经不是主要矛盾了，关键问题是石英玻璃灯管在高温下长期工作，会慢慢地变质和丧失透明度。透明度差了，发光效率当然会降低，降低到开始值的百分之七十到八十，氙灯就得“退役”。

大功率的长弧氙灯功率有多大？不是几百、几千瓦，而是上万到几十万瓦。一只五万瓦的长弧氙灯，发出的光抵得上一千只一百瓦的荧光灯或九十只四百瓦的高压汞灯，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、机场等地的大面积照明。

除大面积照明以外，长弧氙灯在彩色照相制版，检验织物颜色，织物、药剂、塑料的老化试验，以及光化学反应等方面也是急需的。功率六千瓦以下的长弧氙灯，适用于配色仪和褪色仪。二千瓦的氙灯可以在电影放映机和灯塔上使用。

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，电弧虽然很短，但是发光效率很高，不仅普通的白炽灯望尘莫及，就是一般的气体放电灯也赶不上。

电弧稳定，亮度极高，这也是短弧氙灯的长处。它的亮度跟太阳差不多，最亮点的亮度甚至超过了太阳。

具备这样突出的优点，怪不得在短短二、三十年内，短弧氙灯有了很大的发展，在国防、科研、生产等各方面都有广泛的应用——-小功率的用到光学仪器中，大功率的用来放映电影，更大功率的在探照灯、成像炉和太阳模拟器中大显身手。

功率越高发热越多。靠自然冷却的短弧氙灯功率不能太大，风冷的可以高一些，水冷的可以更高。

问题是短弧氙灯两个电极之间的距离很小，只有几到十几毫米，结果是灯管两头的电压不高，电流很大。很大的电流会使阳极损耗得太厉害，阳极必须有足够的尺寸，才能把热量辐射出去。现在的水冷已经不是用水来冷却灯管了，而是直接用水来冷却电极——特别是阳极，这样可以使灯的尺寸大大缩小，也给制造更大功率的短弧氙灯创造了条件。

灯管电压低，电流大，这是短弧氙灯的主要特点，也是它的主要缺点，结果是使灯的发光效率降低，亮度分布不均匀。

有没有解决的办法呢？有。只要往灯管里充进很少一点点氢气或氦气₉就能在很大程度上消除这个弊病。

把不多点儿的汞充进短弧氙灯里，得到了一种新灯——汞氙灯。它的发光效率高，已经被广泛地用做机车、船舶和探照灯的光源。

“老三”——脉冲氙灯又是什么模样呢？

多数脉冲氙灯是管形的，特点是在极短的时间内通过脉冲电流，产生极强的弧光,像闪电那样一闪而过，闪光时间只有几千分之一秒。可以只闪一次光,也可以连续不断地闪,每秒钟闪亮几次到几千次。

在目前已知的人工光源里，除了激光以外，脉冲氙灯就是最亮的光源了。它能承受最大的输入功率，辐射最大的光能。

极短时间内产生极强的光，光的颜色又接近日光，这就使脉冲氙灯在很多领域里得到了应用，除了高速摄影和激光光泵之外，航空摄影、彩色摄影、水下照相、光化学过程等等也要用到它。脉冲氙灯还是频闪观察仪、测地卫星显示仪、航标等所欢迎的光源。

一般的长弧氙灯和短弧氙灯已经够亮的了，现在又出现了脉冲氙灯，谁知道今后还会造出什么灯来!？因为事物的发展是没有止境的啊！

总而言之，氙灯是目前最亮和最接近日光的人工照明光源。如果在广场上点起一只大功率的氙灯，那就好像在黑夜里升起了一个小太阳。它灿烂夺目，光华四射，难怪人们会把一个尊贵的称号一一人造小太阳献给它。

啊，当我们欣赏和赞美这明亮的人造小太阳的时候，当我们它的光辉普照之下工作、散步相休息的时候，请不要忘记研制这些人造小太阳的人们吧！电光源专家们为我国电光源事业的发展，付出了辛勤的劳动，做出了卓越的贡献！

金光闪闪的钠灯

霓虹灯和氙灯里充的是惰性气体，汞灯里装有液体的水银，现在呢，连固体的金属也进入了灯管。

有一种与汞灯很相似的钠灯，里面装的就是固体的金属钠。

汞灯有高压、低压之别，钠灯也分高压、低压两类，不仅名称相似，而且发光原理也一样。

低压汞灯里充的是少量的汞和氩气，低压钠灯里充的是少量的钠和由^J1U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溶化，蒸发变成钠蒸气，并且逐步代替氖气起放电作用。钠蒸气放电，辐射出强烈的黄光。

要使钠灯持续发光，就得保证放电管里有足够的钠蒸气。钠是固体的金属，变成蒸气可不像汞那么容易，必须尽可能减少热量的损失，使灯管保持一定的温度———二百八十度到三百度左右。

为了保温，人们采取了好几种办法。

有人给放电管做了一个玻璃外套，就像给人穿上一件大衣那样。玻璃外套和放电管之间还奏抽成真空，这样可以收到更好的保温效果，并且保证稳定地发光。

有人把放电管做成“U”形的，这样，既能避免灯管太长，又可以使“U”形管向上弯的两段互相加热，让热量得到更充分的利用。

还有人设法改变灯管的横截面形状。乍看上去，这种灯管是直管形的，跟荧光灯差不多。但是仔细一瞧，不对了，它的横截面形状才怪哩，有的四面凸出好像“十”字，有的一面凸出一面凹进像月牙：妹奵管的横截面形状作这样的改进，为的是增加灯管的表面积，提高灯的发光效率，使钠蒸气在灯管里均匀分布，延长灯的使用寿命。

低压钠灯发出的黄光，能够穿透浓厚的云雾，这对船舰信号以及港口、机场照明特别有用。有些偏振计、旋光计和折光仪等一类光学仪器，也很喜欢这种单色光源。在电影制片方面，有时还用钠灯作特技摄影。

随着钠蒸气压的增大，钠灯的发光效率提高，光色也由黄色变成黄白，这样，就造出了高压钠灯。高压钠灯比低压钠灯的个儿还小，四百瓦的一只高压钠灯,只有一支钢笔那么大。

高压钠灯与高压汞灯也有很多相似之处。灯管里充的不光是钠，而且有水银和氙气，水银起辅助作用，帮助提高钠蒸气压;氙气是启动用的,它首先开始放电升温，然后过渡到高压钠蒸气放电，直到稳定，需要好几分钟。

你有没有见过钠呢?它是一种银白色的软性金属，不到摄氏一百度就熔化，性格非常活泼，比汞还活泼得多;在较高的温度下,钠对玻璃有很强的腐蚀作用。

事实上，钠蒸气放电发光的效率很高，人们早在三十年代就已经知道了,但就是因为没有找到合适的、能在高温下抵抗钠蒸气腐蚀的灯管材料，所以当时钠灯役有得到很好的发展。

—般来说，低压钠灯还比较好办,钠蒸气压力比较小，温度不过二、三百度。而在高压钠灯里,钠蒸气压力大大增加，灯管工作温度提高到上千度，这样就带来了一系列棘手的新问题。

高温下的钠蒸气几乎能腐蚀所有的玻璃，不仅大名鼎鼎的石英玻璃抗不住，就连在低压钠灯里还能勉强胜任的抗钠玻璃一二氧化硅含量比较低的特种玻璃或铝硼玻璃也不行，用不了多久就会被高温钠蒸气“吞噬”，结果是灯管迅速变黑，部件过早损坏。

随着现代陶瓷技术的发展，一九五七年，美国的科布尔和他的助手们，终于研究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材料。这种材料的格点高达二千多度，能在摄氏一千六百度的环境里不受钠蒸气的腐蚀，而且可以通过百分之九十以上的可见光。有了它，高压钠灯才能在一九六〇年呱呱坠地，经过改进完善，终于得到了实际的应用。

街道照明、区域性照明、闪光照明，大面积厂房内部和体育场照明，都可以用高压钠灯。将来高压钠灯还可以用作强光投射灯和室内照明的光源。

我国北京、上海等许多大城市的部分街道上，已经用上了高压钠灯。从理论上讲，高压钠灯应该是发光效率最高的光源。一个高压钠灯能顶两个高压汞灯，使用寿命长两倍，而且光色金白，灯光下看物体清晰，又不刺眼，很受行人欢迎。

这还不算，钠灯灯光的穿透力强，射程远，用作马路照明，路面的平均亮度要比同功率的高压汞灯高出三倍半。特别是在雾天雨天,茫茫一片，高压汞灯显得暗淡无光，而高压钠灯的光线却可以透过浓雾，射得很远，这对大面积的远距离照明很有意义。

钠灯是六十年代出现的新光源，二十年来，发光效率不断提高，高过白炽灯七倍/使用寿命不断增长，平壤长途—万至二万小时。现在还需要扩大它的功率范围，缩小启动电压，改善光色，降低生产成本。

在电光源的发展史上，高压钠灯的出现是一次重大突破。将来钠灯一定会照明领域里进一步显露头角，大放异彩,成为人们越来越喜欢的光源。

大有希望的后起之秀

现在，我们来给电光源家族中的几个主要成员按年龄排一下队。

排在最前面的是普通白炽灯，从一八七九年诞生以来，已经度过了一百年的漫长岁月。

其次是霓虹灯，出生于本纪初，别看它五颜六色，浓妆艳抹，有时还闪烁跳动，显得活泼而又牵青，实际上它已有七十岁的高龄。

排在第三位的是高压汞灯，一九三一年问世/它的弟弟低压汞灯一日光灯，只比它小九岁。

又过了十多年，钠灯、氙灯出现了，这是第一批用途广泛的强光源。

紧跟在钠灯、氙灯后面的是碘钨灯，人们认识它还只二十多年。从那时候起，人们把卤钨循环原理应用到白炽灯里，出现了各种各样的卤钨灯。

再排下来，就是迄今为止年龄最小的灯了。它只有二十岁，名字叫金属卤化物灯。

如果你亲眼见过金属卤化物灯，那你一定会更好理解“后生可畏”这几个字的含义。它的年龄小，个子也小，可是光芒四射，威力极大。在它的面前，许多同功率的“父兄”们显得相形见绌，自愧不如。

金属卤化物灯是在高压汞灯的基础上发展起来的，所以我们就从高压汞灯的发展讲起。

同白炽灯相比，高压汞灯当然要先进得多。但是它仍有不足之处，主要是光谱里缺乏红色光,光色蓝幽幽的，显色性不好。人们请荧光粉来帮忙，荧光粉把高压汞灯发出的大童紫外线“改造”成为可见光，光色改善了,光效也提高不少,这就是高压荧光灯。

有没有别的更好的改善高压汞灯光色和提高高压汞灯光效的办法呢？

人们从金属蒸气的放电发光中得到了启示——在放电管里添加少量的金属元素，利用金属蒸气放电，可以获得高效率的白光一于是把金属元素宣接添加到高压汞灯里,希望改善它的光色。进行了多次试验，但是都没有成功。

问题在哪儿呢？

金属是很不容易变成蒸气的。现在都用石英玻璃作高压汞灯的泡壳材料，在这种泡壳所能承受的最高工作温度下，除了水银以外，多数金属的蒸气压都比较低，不足以在放电过程中受到充分激发而有效地放出光来，结果当然也就起不到改善光色和提高光效的作用。

这还不算。一般金属蒸气在高温下非常活泼，会与放电管的石英玻璃起反应，有严重的腐蚀作用-——这个问题也不好办。

经过反复琢磨，反复试验，后来才找到了另一条改善高压汞灯光色的途径，那就是往灯里添加适当的金属卤化物——金属元素与卤族元素中的碘、溴、氯或氟的化合物，这样就研制出了一种新灯——金属卤化物灯。

一九六〇年到一九六五年，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发展。后来用作添加剂的金属卤化物越来越多，包括碘化镝、碘化钬、碘化铥、碘化镓、碘化铋、氯化锡等等，它们各尽所能，放电发光，弥补了高压汞灯光谱中原来欠缺的成份，提高了发光效率，改进了灯的光色。

为什么直接加金属不行，加金属卤化物就解决问题呢？

让我们来观察研究一下金属卤化物灯的工作情形吧！

电灯通电以后，高压水银蒸气首先放电，产生的热量使灯管的石英玻璃温度上升，升高到好几百度，金属卤化物随之从管壁蒸发，向炽热的电弧中心扩散。灯管中心的温度很高，高到好几千度，金属卤化物抗不住了，一分为二，分解成金属蒸气和卤素蒸气。高温下的金属蒸气压当然很高，金属原子在这里与高速运动的

电子相碰撞，受到充分的激发，释放出丰富的可见光来。

接着，金属原子与卤素原子从电弧中心往管壁方向扩散/温度逐渐降低，低到一定程度,它们又重新结合成金属卤化物分子。在这里，金属原子的浓度已经很低，主要成份是金属卤化物的分子，而金属卤化物分子对于玻璃管壁却是没有多大腐蚀作用的。

在足够高的管壁温度下，新生的处于蒸气状态的金属卤化物是闲不住的，它们又会再次向灯管中心扩散，重复上一次的经历。

就这样，金属卤化物在高压汞灯里形成连续不断的循环，并且持续地向电弧中心提供一定气压的金属蒸气。这个过程，跟卤钨灯里的卤钨循环极相似。如果说，卤钨灯是白识灯应用卤钨循环原理的产物，那么，金属卤化物灯不就是卤钨循环原理在气体放电灯中的应用吗？

你看:一方面，大部分金属卤化物的蒸气压都比金属本身的蒸气压高得多，这样就有可能使金属原子受到充分的激发而放出丰富的可见光；另一方面，靠近管壁的金属卤化物又不会与石英玻璃发生化学反应，这样就防止了金属蒸气对玻璃管壁的腐蚀作用。金属卤化物的引入，解决了两个主要矛盾，这就把气体放电光源技术的发展，推进到了一个新的阶段。

金属卤化物灯发光的颜色，主要取决于卤化物中金属原子的种类。比如，铟原子辐射蓝紫色光,铊原子辐射绿色光，钠原子辐射黄色光，等等。充碘化铟的叫铟灯，充碘化铊的叫铊灯,充碘化钠、碘化铊、碘化铟混合物的叫钠铟铊灯……

还不能忘掉放电过程中金属蒸气的压力。随着金属蒸气压力的提高，金属卤化物灯将能得到更接近于日光的光谱。

你不是很想结识一下金属卤化物灯吗？金属卤化物灯可以说是高压汞灯的后代，所以它的模样和结构，在很多方面都与高压汞灯相似，兵是显得更加小巧紧凑，重量更轻，安装使用更方便而已。

功率大，光色好，发光效率高，这些都是金属卤化物灯的长处。

有多种多样的金属卤化物，也就有多种多样用途的金属卤化物灯。

最早问世的是钠铟铊灯，发出明亮的令人满意的白光，光色比高压汞灯还好，可以用在广场、体育场、车站、机场、码头等处的大面积照明。往这种灯里添加一点锡，可以延长灯的使用寿命到两万小时。

只有几厘米长、体态小巧玲珑的铟灯，当灯内碘化铟蒸气压足够高的时候，光色很像日光，而且亮度分布均匀。用铟灯放映电影，银幕上的画面显得色彩鲜艳，清晰逼真。

镝灯是充有碘化镝、碘化钬、碘化铊的高压汞灯。它的发光效率高，等于氙灯的两倍，光色跟太阳光接近。把物体放到镝灯灯光下，与我们在太阳光下看到的物体的颜色几乎一致，这就使它在摄制和放映彩色电影、电视、印刷彩色图画和彩色照相制版等方面得到重用。

充碘化铊的铊灯发出绿光，是最受人们欢迎的信号灯。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，能够大大促进化学反应，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，可以用作水下电视的照明光源，为开发海洋贡献一份力量。

镓灯发出紫光，可作晒菌、照相复制、照相制版以及半导体集成电路中光刻的光源。

铋灯能放出大量的紫外线，和铊灯一样，对某些光化学反应有重要作用。

锡灯的光与太阳光基本一致，在农业上代替太阳光厢射作物，能促进蔬菜生长。

近些年来，人们还在研究往灯里充填多种金属卤化物的混合物，使它们各自发出的光谱迭加在一起，就得到了我们所需要的不同光色和显色性能的光源。

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。它的诞生为气体放电灯的发展开辟了广阔的道路，照明技术也因此而发生了重大的革新。