汞灯辐射性能研究

杨小虎

摘要： 针对实验室中最常用的汞灯光源，分析了影响其高精度应用的影响因素。通过构建实验系统逐一验证了以上影响因素，得出了汞灯辐射谱线强度随温度降低而减小以及汞灯辐射强度随时间的变化规律，从而为后续汞灯应用提出了具体的要求。

关键词： 汞灯；辐射强度；温度

中图分类号：TP706 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）31-0163-02

1 引言

汞灯，因其从真空紫外波段到近红外波段都具有较高强度的离散线谱，该特点使其成为地面及在轨仪器设备波长定标的最常用设备。因此，掌握汞灯的辐射特性，并力求让其工作在正确的使用条件下，显得尤为重要。

2汞灯简介

汞灯，是利用汞原子被激发产生能级跃迁从而向外辐射汞的特征谱线，进而达到发光目的的电光源[1]。按汞灯内汞蒸气气压可分为低压汞灯、高压汞灯和超高压汞灯。实验室内一般选用低压汞灯，其辐射能量主要集中在紫外以及可见波段[2]。汞灯谱线很多，但能量较强的、可供仪器设备探测和区分的，通常有10条，如表1所示。

表1 汞灯常用特征谱线及相对强度

[波长＼&相对强度＼&波长＼&相对强度＼&253.652＼&15000＼&435.834＼&4000＼&296.728＼&1200＼&546.075＼&1100＼&365.016＼&2800＼&576.960＼&240＼&404.657＼&1800＼&579.066＼&280＼&407.784＼&150＼&671.643＼&160＼&]

3 实验过程

为了找出汞灯发出的离散线谱强度随温度的变化关系，以及汞灯在低温条件下的启动状态，构建一套实验装置如图1所示。图1中，汞灯经光纤照明仪器入缝处的毛玻璃，仪器为一台高精度光谱仪，带宽为1nm。

图1 汞灯测试示意图

汞灯由直流稳流电源供电，工作电流6.1mA，开路触发电压约2500V，电路如图2所示。一电压表与汞灯电源输出端并联监测汞灯工作电压，另一电压表通过监测0.1欧标准电阻上的电压监测汞灯工作电流；将汞灯置于高低温箱内，其温度受高低温箱控制，而仪器在高低温箱外部，温度保持不变。

图2 汞灯电压及电流监测电路原理图

高低温箱控制汞灯工作温度从-20°C变化到40°C，每隔10°C等待温度平衡后，进行光谱扫描测量，给出紫外波段三条谱线253.652nm、296.728nm和365.016nm的谱线峰值强度。

4 实验结果及数据处理

汞灯三条特征谱线相对强度随温度的变化如表2所示。三离散线谱在不同温度下的光强归一化值如图3所示。由表2及图3可知，汞灯输出谱线强度均随温度降低而变弱，因而汞灯不能在温度很低的环境下使用。

表2 汞灯三条特征谱线相对强度随温度的变化

[温度（℃）＼&40＼&30＼&20＼&10＼&0＼&-10＼&-20＼&253.652nm＼&1＼&89.6＼&49.6＼&48.68＼&20.48＼&11.28＼&5＼&1.684＼&2＼&78.8＼&50.9＼&37.34＼&23.84＼&12.94＼&7.598＼&1.76＼&3＼&88.9＼&57.54＼&37.86＼&23.74＼&12.06＼&7.242＼&1.972＼&AVE253.652＼&85.767＼&52.68＼&41.293＼&22.687＼&12.093＼&6.613＼&1.805＼&归一化＼&1＼&0.614＼&0.481＼&0.265＼&0.141＼&0.077＼&0.021＼&296.728nm＼&1＼&0.936＼&0.543＼&0.434＼&0.266＼&0.168＼&/＼&/＼&2＼&0.692＼&0.589＼&0.463＼&0.256＼&0.14＼&/＼&/＼&3＼&0.684＼&0.588＼&0.418＼&0.25＼&0.143＼&/＼&/＼&AVE296.728＼&0.771＼&0.573＼&0.438＼&0.257＼&0.15＼&/＼&/＼&归一化＼&1＼&0.744＼&0.569＼&0.333＼&0.195＼&/＼&/＼&365.016nm＼&1＼&23.5＼&14.12＼&12.16＼&6.122＼&3.908＼&2.19＼&/＼&2＼&19.5＼&15.96＼&13.14＼&6.736＼&3.396＼&2.552＼&/＼&3＼&21＼&16.14＼&11.62＼&5.884＼&4.156＼&2.641＼&/＼&AVE365.016＼&21.333＼&15.407＼&12.307＼&6.247＼&3.82＼&2.461＼&/＼&归一化＼&1＼&0.722＼&0.577＼&0.293＼&0.179＼&0.115＼&/＼&]

图3 汞灯三条离散谱强度随温度的变化归一图

此外，由电压表监测的汞灯工作电压随温度的变化曲线如图4。可见，在-10℃以上，温度越低，汞灯工作电压越大，当温度低于-10℃时，汞灯工作电压骤然下降，汞灯较弱的谱线已不能探测。

图4 汞灯工作电压随温度的变化曲线

图5给出了汞灯在-20℃低温下253.652nm随时间的变化趋势，可见，在固定温度下，汞灯谱线强度先随时间增加而增强，经过3～5分钟左右其输出谱线强度逐渐趋于平衡，因而汞灯在用于定标时最好先经过5～10分钟预热。

图5 汞灯-20℃低温下253.652nm谱线随时间的变化趋势

5 结论

本文针对汞灯的几条特征谱线随温度的变化关系，得出了汞灯工作的基本规律。汞灯输出谱线随温度的降低，其强度也变小，因而低温下汞灯谱线会变弱变少。此外，汞灯在某一固定温度下工作，输出谱线强度明显有一个不稳定状态，需要5～10分钟左右的预热。汞灯辐射特性的研究也为后续汞灯的正确使用提出了参考。

参考文献：

[1] 低压汞灯的原理，中国百科网，www.chinabaike.com

[2] 贾红辉，尹红伟，邵铮铮，等. 低压汞灯辐射禁锢效应的实验研究[J]. 太学物理实验，2008，21，（9）：69-71.

[3] 杨正名，柴国生，宋炜，等. 低气压汞灯紫外辐射的物理模型[J]. 照明工程学报，2004（2）.