等离子体光源是如何工作的

文/ [美] 迈克·伍德 编译/姚涵春

（1.上海戏剧学院，上海 200040）

等离子体光源是如何工作的

文/ [美] 迈克·伍德 编译/姚涵春1

（1.上海戏剧学院，上海 200040）

阐述等离子体光源的结构、工作原理，通过与其他光源的比较，分析等离子体光源用于照明灯具的优势与不足。

等离子体；光源；照明；光学结构

近些年来，许多国家都在相关领域积极推进高效、节能的工作，新光源的发展和提高现有光源性能等方面的科研工作取得了很大进步。有关LED光源的研究可能是其中的突出事例，但是，还有其他新光源也受到业界的关注，如OLED（Organic Light Emitting Diode）和等离子体光源。同时，传统的白炽光源和高强度气体放电灯（High Intensity Discharge，简称HID）灯泡的光效也有了显著的改进。本文主要探讨微波激励的高效等离子体光源的工作原理。

目前，生产微波激励高效等离子体光源的制造商至少有三家公司：Luxim、Tonanaga和Ceravision。在笔者撰写本文之时，在美国演艺灯光产业销售量最大的应该是Luxim公司，所以，本文大多采用、参照该公司的技术资料。本文论述的主要内容仅仅是等离子体光源工作的一般原理，据笔者理解，这三家制造商生产等离子体光源的基本理论是非常相似的。它们在特定的结构、操作以及机密配料方面有些不同，这些不同是由它们独特的器件本身体现出来的。目前，这项技术在应用中尚无简短的名称，所以，笔者采用缩写词LEP作为涉及这个特殊技术的通用词，并不涉及任何一家制造商。

1 什么是等离子体光源

等离子体光源有时被称为LEP（Light Emitting Plasma）或HEP（High Efficiency Plasma）。“等离子体光源”的身影在过去也曾出现过，较早出现的是一种大玻璃球装饰品，从中央小球延伸出来的灯丝发出缥缈的复色光。它们大多应用于万圣节（Halloween）前夕的装饰品和科幻电影中，很少用于照明。20世纪90年代，一种等离子体光源出现，它的工作原理是应用微波能量激励封装在25 mm直径的球形石英玻壳内的硫磺和氩气。制造商花了几年时间艰难地推广应用等离子体光源，令人欣喜的是，在广义的建筑照明市场中取得了一些进展。然而，很遗憾，它在商业上相当不成功，在千禧年末几乎行将消失。尽管近几年在某些方面有了一点复苏迹象，但是，这些都不是本文要探讨的光源。当今，应用于某些演艺灯光产品中的高效光辐射的等离子体光源（LEP）与先前某些光源拥有相同的名称，但那只是其最终结果相似而已。事实上，LEP光源的最新品种与HID灯也许有更多相似点，而我们早已将这些高强度气体放电灯泡应用于追光灯和电脑灯中。

那么，LEP为什么被叫作等离子体光源呢？虽然它们毋庸置疑地产生等离子体，但许多别的光源也产生等离子体，包括HID灯、霓虹灯、荧光灯，甚至还有碳弧灯。等离子体是描述物质第四态的通用术语，是继固态、液态和气态之后的第四态物质。它描述一种高温、可导电、电离了的气体。太阳、星星和灯光全是等离子体光源，所以，它是现存的最古老的照明形态——等离子体在极高温度和具有高能时从基本粒子中激发出来的光辐射。

2 等离子体光源的工作原理

2.1 结构

通过比较HID光源和LEP光源，可以了解等离子体光源的结构特点。

（1）共同点

两种光源都采用石英泡壳，并且两者都从石英密封泡壳内形成的过热气体——等离子体辐射出光来。这两种光源中的气体都是各种稀土、金属卤化物和其他物质的气化物的混合体，选择这些物质的目的是将它们在等离子体状态时辐射出来的光谱线及光输出混合成一体。

（2）不同点

这两种光源在构成上的差异是等离子体形成的方法和途径。

HID光源是通过封装在灯泡泡壳内的两个电极之间高压击穿放电而产生等离子体；而LEP光源没有电极，它借助高强度射频（Radio Frequency ，简称RF）或微波场穿越灯泡而产生等离子体，在外加强电场的作用下，灯泡的小小空间内形成了大量的热量，温度十分高，进而引发各种化学物质气化，形成等离子体。

传统HID灯泡采用的电极、密封物质和伸入石英泡壳内的支架构成了自身的弱点，如果那些密封物质被损毁，将导致整个灯泡最终失效。另外，要保持灯泡支架良好散热，并远离热源，石英泡壳就要做得很大。而对LEP光源来说，由于灯泡内没有电极，泡壳是连续、完整的密闭体，所以不会形成传统HID灯泡那样的薄弱点。因此，LEP光源的体积可以做得很小，并能在更高压力下工作，同时还有助于扩展光谱辐射的波段范围。

图1展示了典型的LEP光源组件，其中心装置有一只微小的石英灯泡，在灯泡周边围有微波谐振腔和大容量的热沉。图2为石英泡壳，其中包含着氩气、稀土及有利于这些物质气化的微量水银的气体混合物。图3更详细地展示了灯泡内部正发生着什么。灯泡底部被密封后形成结实的灯柱，并将灯柱插立于谐振器中。泡壳没有任意类型的电极，它被一个空心块体或由氧化铝陶瓷介电材料制成的圆盘所环绕，这种材料不透光，但可以通过微波，并构成谐振腔。从RF驱动器通过同轴电缆或波导输入微波，在空心块体内的内反射具有引导和放大微波的能力，使其可形成持续、固定的波型。腔体被塑造成型（笔者以为，那种形状是秘方的一部分），致使最强的场强聚集在石英泡壳的中央和四周，如图4所示。

图1 LEP光源组件

图2 石英泡壳

图3 灯光内部系统图

图4 驻波模型

需要注意的是，在LEP灯中，用作微波的实际频率不是决定性的，因为等离子体能在宽泛的频率范围内被激励。目前，商业化的LEP灯倾向于采用450 MHz和900 MHz的频率以激励等离子体，因为产生这些频率的放大器很容易获取，它们常应用于手机和通信产业。随着科技的发展，当LEP灯制造商能够生产出自己专用的放大器时，有可能采用更低些的频率，因为在更低频率时，RF放大器能取得更高的效率和性价比。

2.2 能量的传播

从图5 中可以看到RF能量传播的仿真模型。红色区域表示在陶瓷谐振器内、灯泡泡壳内及其四周是最大能量的集合部。还可以看见由黄、绿和蓝色区域指示的递减的光辐射状况。在灯泡泡壳内感应产生的高场强将大量的能量注入到封闭的气体中，将气体加热升温，并非常迅速地将气体电离。这个超热的被电离气体或等离子体，温度约为6 000 K，在泡壳内四处循环，由感应电场所驱动，蒸发泡壳底部的金属卤化物。至此，泡壳内拥有了电离了的气体和金属卤化物的等离子体混合物，如图6所示，等离子体以如同常规HID灯泡相同的方式辐射出可见光来。反射粉末被使用在灯泡泡壳上，可使辐射光向前发射，并从灯泡辐射出去。

图5 微波场

2.3 利于散热的形态

轴向电场分布和泡壳形状使这种等离子体物质易于保持成中心圆柱形体态，并与泡壳的内壁相分离，这有利于泡壳的冷却。图6 表示氧化铝陶瓷介质起着另一个作用，即散热器的作用，它将热量抽离石英灯泡泡壁的四周，使其温度保持在约1 100 K或更低。

制造商声称，LEP灯的这种电场形状，冷却泡壁的优势，没有电极以及与之相关联的、不可否认有问题的灯泡支架等特点，使其具有优于传统HID金属卤化物灯的有利条件。电极进入石英泡壳造成的密封破损和泡壳失透（高温下形成的石英晶体在泡壳上产生常见的乳白色半透明的斑点），无疑是HID灯最常见的故障模式。

2.4 光谱辐射能量分布

图6 等离子体形成

图7 等离子体光源的光谱辐射分布

图7显示了笔者由装置LEP光源的灯具测得的光谱辐射分布。这是光源辐射光穿越所有光学器件和透镜之后的灯具输出光的光谱辐射能量分布，它可能稍稍不同于裸光源的光谱分布。虽然它的波峰仍相当的多而尖，但光谱几乎是连续的，仅仅在420 nm和450 nm附近伴有缺失了的窄频段。这个光谱分布给出了已发布的CRI为94。

2.5 RF泄漏的控制

我们已经了解了微波在哪里输入，辐射光又从哪里发射出来，然而，泄漏出来的少量微波又是怎样的情况呢？它们有危害吗？虽然大部分微波能量被制约于灯泡和陶瓷内，但从图5可以清楚地看见，有一些微波能量从灯泡前面泄漏出来，这必须在灯具设计中加以考虑。幸运的是，这种高频发射比较容易控制，而灯具制造商正以不同的方法加以解决。然而，对于任何采用LEP灯的制造商，微波辐射泄漏的控制和测量应成为专门技术和灯具设计程序的一部分。大多数工程师至少已经精通了设计中的电磁兼容（EMC），而这部分专门技术仅仅是这个基本原理的延伸和扩展。

一种最容易控制RF泄漏的方法是将导电性能良好的金属反射器与光源进行严密的配置结合。如果这个反射器足够长而又狭窄，如图8所示，它将构成一只有效的衰减器，并将微波泄漏降低到可接受的水平。演艺灯光设备制造商采用的另一项技术是使用TIR（Total Internal Reflection）透镜，透镜内带有嵌入式金属丝网络。

图8 配置金属发射器的RF衰减状况

2.6 光学设计的利与弊

在光学方面，灯泡泡壳给光学设计师带来了利与弊两个方面的思考。主要好处是，光源非常小，有利于高效的光学设计；不利的地方在于，设计师无法接近灯泡泡壳后部的反射器以调控、利用光辐射，因而不得不在灯泡的前面做足这项集光工作。这与LED光源呈现的问题非常相似，可采取一些相同的解决方案，例如使用TIR透镜。

LEP无疑拥有某些优势的高效光源，但是，在市场中起决定性作用的是它的寿命。制造商声称的长寿命还有待证实，LEP灯在其他各种新老光源中能否开拓出具有竞争优势的应用市场，目前做出判断还为时尚早。时间能证明一切，相信随着我们对LEP的认识逐渐深入，对其未来的应用前景也会有更明确的评价。

注：图1、图2、图5和图8由Luxim Corporation提供。

（本文根据美国《PROTOCOL》杂志2010年夏季刊同名文章编译。）

（编辑 张 淼）

How do Plasma Lamps Work

Original / [USA] Mike Wood Translate / YAO Han-chun1
(1. Shanghai Theatre Academy China, Shanghai 200040, China）

Lighting structure and working mechanism of plasma light source were expounded. Meanwhile, its advantages and disadvantages when used as lighting was presented compared with other lighting types.

plasma; lighting source; lighting; optical construction

10.3969/j.issn.1674-8239.2011.2.002