辉光球的发光原理

陈海深

（广西师范大学物理科学与技术学院，广西 桂林 541004）

1 美丽、神奇的辉光球

图1为直径约15cm的高强度玻璃球内中央有一个黑色球状电极，球内闪耀着大量如同火舌一般美丽的弧光，成均等的辐射状向四周发射，极具神秘的梦幻色彩.若用手抚摸球体或用手指轻触玻璃球的表面，手指移到哪，灯里的光线就会聚焦到哪，明亮、弯曲、多色而且带有分叉的细束带使人赏心悦目，发出美丽、神奇的辉光.如果辉光球周围有音乐或声响（包括掌声、咳嗽声等）时，光束会随着旋律和节奏不断地改变，伴随着一切声音而散发出魔幻光线，极富动感，使原本不均匀不稳定的光束更加变幻无穷.如果在黑暗中，那将更加好看.

图1 美丽、神奇的辉光球

2 辉光球主要结构

图2为辉光球的结构.下端同轴圆柱部分是用于引入激励电源的天线.玻璃外球直径从127－229mm可设计成系列.内球直径约20－40mm；工作气体是以氖为基质或以氦为基质的混合气体，掺入氦（或氖）、氩、氪、氙、氮气、氢气等其中的几种杂质气体，可配出不同的光色.球内气体压强不同，所产生的辉光颜色也不同.

人有时用手触摸，放电腔又是用玻璃制成，所以绝不允许放电腔内的气体处于正压（超过1个大气压）的状态，也不允许处于很大的负压状态.放电腔内总气压可用气态方程计算

设该光源的工作温度为0～50℃，在50℃时放电腔内总压强为100kPa，则0℃时为84.5kPa，若制灯工作室的环境温度为20℃，则可算出充入放电腔的总气压为90.7kPa.

图2 辉光球结构

玻璃球中央有一个黑色球状电极（另一个电极在无穷远的空间），球的底部有一块振荡环氧电路板，通过电源变换器将12V低压直流电转变为高频高压加在电极上，产生高频电场.图3中电源天线的作用是把驱动电路产生的高频高压输入放电腔.弹性金属丝球和导电层的作用是使激励信号均匀分布于玻璃内胆，使放电束在放电腔内分布比较均匀.若放电腔中工作气体是以氖为基质，则满足功率放电时发出成百上千条放电束.放电束的顶端为桔红色花瓣，近内胆处为桔红色线条，中间为海蓝色细线条.每条由高度收缩的流光放电产生的放电束在不断舞动.

当功率调节钮调至最小状态时，放电束两端为桔红，中间为海蓝的短线.控制调节钮，例如声音控制，在声频（例如音乐）的激励下，放电腔内的放电束会发生多—少、长—短变化，其声—光效果美不胜收.电源有通断和声控、非声控3档选择开关.

当功率调节钮处于较大状态时，即在球中央的电极周围形成一个类似于点电荷的场，由于球内稀薄气体（低气压气体）受到高频电场的电离作用而光芒四射.由于电极上电压很高，故发出一些辐射状的辉光，在黑暗中非常好看.当用手（人与大地相连）轻轻触摸玻璃球表面，人体即为另一电极，球周围的电场、电势分布不再均匀对称，气体分子在极间电场中激发、碰撞、电离、复合而发生辉光，辉光在手指的周围处变得更为明亮，即放电束收缩聚合成一条扫动的弧线顺着手的触摸移动而游动扭曲，随“指”起舞.形态如夜空的闪电.

辉光球还内置声控功能，它能随声或乐曲的音律高低变化而改变光束.

辉光球激励电源的驱动电路由以下电路组成：

① 市电转换电路：市电220V转换成50V和12V；

② 振荡电路：频率为15～30kHz；

③高压电路：将15～30kHz的高频电压升至8～20kV

④ 控制电路：声控.

⑤ 调节电路：调节激励功率、调节控制讯号强弱.

对于小尺寸的放电腔宜用高频率低电压驱动；反之，大尺寸的放电腔宜用低频率电压驱动.

3 辉光球的发光原理

辉光球又称为闪光球、魔（光）球、电离子魔幻球、静电离子球灯、等离子（体）光球，英文名：Plasma Light或glow lamp.等离子体是部分或完全电离的气体，由大量自由电子和正离子以及中性原子、分子组成.等离子体在宏观上是近似电中性的，即正电荷与负电荷几乎处处相等.

普通的火花放电是一种断续的放电现象，但当高频电场施加于特殊结构的气体放电腔时，断续（又不断产生）的火花放电可以形成准连续放电.

高频气体放电的激发源有两种：一种是用高频电场（类似回旋加速器中的高频电场）直接激发，称为E型放电；另一种用高频磁场激发，称为H型放电.辉光球属于流光放电原理的火花放电光源，高频流光放电光源采用的E型方式激发放电.在交变电场E＝E0cosωt中，电场频率和放电距离达到一定值时，振荡的电子和离子碰撞气体分子产生新的电子和离子.在足够高的电场强度作用下，产生足够多的电子和离子，使气体完全击穿.此时，气体的击穿与放电腔内是否存在电极无关，于是可以把电极放置到放电腔外，形成高频“无极”放电.

在直流或低频放电中，灯的发光可以用汤生放电理论去描述，该理论是基于在阴极上的次级发射过程使电子雪崩逐渐发展起来.而辉光球的光源，电极安置在放电腔之外，电极上的次级发射已不复存在，所以只有用流光放电理论予以解释，即只考虑单个电子雪崩的发展而形成气体击穿的机理.当施加电场于气体时，只要有1个电子（例如由宇宙射线电离所致）通过电场，这个电子受加速轰击气体分子产生雪崩引起了放电的迅速扩展（扩展过程比汤生放电快一个数量级），最终导致通过放电空间的流光出现.

在通常情况下，气体中的自由电荷极少，是良好的绝缘体.但在某些外界因素（如紫外线、X射线以及放射线的照射、气体加热或强电场等）的作用下，气体分子可发生电离，气体中出现电子和正离子，这时在外电场作用下，电子和正离子作定向漂移运动，气体就导电（称为气体放电）.通常把气体放电分成两种类型：（1）被激导电.依靠外界作用维持气体导电，且外界作用撤除后放电即停止.（2）自激导电.不依靠外界作用，在电场作用下能自己维持导电状态.

图3 气体的导电规律

气体的导电规律如图3所示.在充有气体的密封玻璃管内装有两个电极，把它们与电源的正负极相连，并逐渐增加电压.当电压U较小时，电压U与电流强度I的关系如图3中曲线OA段所示，服从欧姆定律.当U增加到曲线中的BC段时，电流达到饱和值.如果电压继续升高，电流又随着电压的升高而升高，即曲线的CD段.在这一阶段中，因为电子与正离子在分别向阳极和阴极运动的过程中获得了较大的动能，当他们与中性分子碰撞时，足以使中性分子电离，从而产生出新的电子和离子.上述的导电过程都是必须依赖于外界的电离作用而维持的，属于气体被激导电.当两电极间的电压进一步增加到UD时，电流将突然增加，同时极间电压突然下降，即曲线中的DE段.这是因为产生了雪崩式的碰撞电离.此时即使撤去外界的电力作用，导电过程仍然继续进行，属于气体的自激导电.

在气体自激导电时，往往伴有发声、发光等现象.当气体由被激导电过渡到自激导电时（气体已被击穿或已被点燃）.使气体击穿的最小电压UD称为击穿电压.气体击穿后，由于气体的性质、压强、电极的形状和距离、外加电压以及电源的功率的不同，而可能采取辉光放电、弧光放电、火花放电、电晕放电等不同的形式.其中，弧光放电、火花放电及电晕放电等是气体在常压下放电，而辉光放电（即辉光球发光）是低压气体（稀疏气体）在高频强电场中的放电现象.

图4 辉光放电特性曲线

辉光放电是低压气体中伴有辉光出现的自激导电.在低压（约133Pa）气体放电管中，两电极间电压逐步增加，并控制电流的变化，气体击穿后将会出现如图4所示的导电规律，BD段是辉光放电，其中BC段是“正常辉光放电”，CD段是“异常辉光放电”.在正常放电时，极间电压几乎不随电流而变，在异常辉光放电时，极间电压将随电流的增加而增加.当电流超过D点时，电压会突然下降，这时便从辉光放电过渡到弧光放电（DE段）.

1 陈秉乾，舒幼生，胡望雨.电磁学专题研究［M］.北京：高等教育出版社，2001：374－375.

2 王妙康.高频流光放电光源［J］.真空电子技术，1999（5）：48－50.

3 赵凯华，陈熙谋.新概念物理教程·电磁学［M］.北京：高等教育出版社，2003：309.