第八章金属卤化物灯

气体放电与光源—金属卤化物灯第八章金属卤化物灯8.1金属卤化物灯的基本原理气体放电与光源—金属卤化物灯一、金属卤化物循环人们曾试图将一些金属加到高压汞灯中，利用金属的特征谱线增加灯光的红色成分，改善显色性。气体放电与光源—金属卤化物灯这方面工作遇到了两个困难：（1）大多数金属蒸气压很低，1000K石英泡壳工作温度下金属原子浓度太低，不能产生有效辐射。（2）不少蒸气压较高的金属要与石英玻璃产生化学反应，使泡壳损坏。1.高压汞灯中加入金属的尝试能添加的金属（锌、镉）对光色无改善或导致光效低。在汞电弧中引用金属卤化物，能产生金属的光谱。制成的用于照明的金属卤化物灯，光色比高压汞灯大为改善，光效也有很大提高，属第三代光源。气体放电与光源—金属卤化物灯金属卤化物的两个优良特性：（1）蒸气压比金属自身的蒸气压高得多。几乎所有金属卤化物的蒸气压在1000K时都大于100Pa。（2）除金属氟化物外，其他金属卤化物不与石英玻璃发生明显的化学作用。2.金属卤化物的优良特性添加金属卤化物能有效克服添加金属时所碰到的两个困难。气体放电与光源—金属卤化物灯3.金属卤化物循环过程金属卤化物分子分解，金属原子产生辐射管轴处管壁处金属原子和卤素原子复合成金属卤化物分子。金属原子与卤素原子扩散金属卤化物原子扩散不断向电弧提供足够浓度的金属原子，又避免了金属在管壁上的沉积。气体放电与光源—金属卤化物灯金属卤化物还应满足的条件：（1）在电弧温度（2500K）下不稳定，能分解成金属和卤素。MXMXnn+()MXMXnpnpKTpp=，化合物化解；，化合物合成。()1pKT()1pKT要求在2500K以上的温度时小，以便在电弧的发光部分有较高的金属蒸气分压强。()pKT气体放电与光源—金属卤化物灯金属卤化物还应满足的条件：（2）在管壁温度下稳定，不会在管壁析出金属。()()MXMMX1nwnpwpppTpKT′=×很低，必须很高，或者很高，对绝大多数的金属卤化物灯，可以通过加入适度过量的碘来保证。()pwKT()MwpT′Xp（3）在室温时的蒸气压必须很低。在灯中碘化物用得较多，但也有不少场合用溴化物或氯化物效果更好。二、汞在金属卤化物灯中的作用大部分金属卤化物中，汞蒸气压比金属卤化物高得多，但因金属的激发电位比汞低（4V左右），受激的金属原子比受激的汞原子多，金属光谱强度远超过汞光谱。汞的作用：气体放电与光源—金属卤化物灯（1）建立高气压（1~10atm）放电，阻碍金属蒸气和卤素气体扩散（缓冲气体），提高光效。（2）降低电子迁移率，提高电场强度和管压，改善灯的电特性。一般采用汞作缓冲气体，有时用氙，有时不充。（3）室温时汞气压低，且能形成卤化汞，减少卤素原子影响，有利于灯的启动。三、金属卤化物灯的分类对一般照明，希望产生高光效的白光；对某些特殊应用，则希望有高色纯度。现在做出色温在2400~10000K的各种金属卤化物灯，可分为4类：气体放电与光源—金属卤化物灯（1）将几种发强线光谱的金属卤化物混合得到白色光源，如碘化钠－碘化铊－碘化铟灯。（2）在可见光区发射大量密集线光谱的金属，得到类似日光的白光，如碘化镝－碘化铊灯。（4）具有很强共振辐射的金属产生纯度很高的光，如碘化铊－汞灯能发绿光。（3）高气压金属蒸气放电或分子发光产生连续辐射，获得日光色的光，如超高压铟灯和氯化锡灯。8.2钠－铊－铟金属卤化物灯气体放电与光源—金属卤化物灯一、铊原子绿线辐射强度的计算碘化钠－碘化铊灯，共振电位低，辐射强线（589.0~589.6nm和535nm）在视见函数最大值附近，因此有很高光效，光色带黄－绿色。加入碘化铟（蓝线451.1nm）改善光色，牺牲光效。光色要求高时再加入碘化锂。气体放电与光源—金属卤化物灯（1）铊535nm绿线的下能级并非基态，但其浓度很高，自吸收强，TlI充量达到一定时强度饱和。（2）充汞量增加时，铊绿线辐射功率略增强，汞辐射功率略下降。二、钠－铊－铟灯的实验设计利用钠、铊和铟的3根强线辐射加以合理组合而产生高效白光。工作温度下，NaI饱和，TlI和InI3非饱和，后两者必须严格控制。气体放电与光源—金属卤化物灯（1）铊535nm绿线强则光效高，但TlI过量时光效反而有所下降，最佳充量为0.22mg/cm3。1.灯中各种成分充量的实验研究（2）铟451.1nm蓝线改进显色性，最佳充量0.02mg/cm3。（3）钠黄线对提高光效和显色性均有用，最佳充量为1.5~2.0mg/cm3。通常用于街道或广场照明，显色性60左右。金属卤化物熔点高，电弧管管壁温度应比高压汞灯高（一般为725~750℃）才能有较高的光效和光色。气体放电与光源—金属卤化物灯（1）电弧管比高压汞灯小，管壁负载约14W/cm2。2.电弧管的形状和尺寸（2）同样电弧功率下，直径较大的灯管光效高，且光色随时间的变化（主要由于钠损失）小。（3）垂直点燃时出现蒸气压上下不均匀，严重时分层现象造成各部分发光不均匀，弧长不能过长。长径比不超过4（或5）:1，更粗短。应防止冷端影响，仔细控制管端形状（一般为锥形），加保温涂层，采用真空外壳时应加消气剂。（1）不能采用碱土金属（如钡）氧化物作发射材料。气体放电与光源—金属卤化物灯（2）可采用纯钨电极，但很难做成长寿命的灯。3.电极的材料和形状（3）采用钍－钨电极，钍－碘循环保持良好的发射性能，减轻钨蒸发，钍光谱改善光色和光效。（4）氧化钍－钨电极，启动性能最好，钠－铊－铟灯的常用电极。（5）稀土金属氧化物作为发射材料，高温下工作稳定，尤其适用于稀土金属卤化物灯。为避免金属卤化物附着电极上影响启动性能，应使灯在冷却时电极比其他部分冷得慢。充入严格定量的汞（工作气压1~10atm），氩气或氖－氩潘宁气体作为启动气体。气体放电与光源—金属卤化物灯4.灯的填充物常用方法：将所需金属卤化物精确混合，制成定量的药丸，在真空操作箱中填充；电弧管采用高纯等级的石英管。充气要求：金属卤化物易潮解，要在干燥的气氛中进行操作处理。早期外装架出现钠损失，现设计出无支架的灯。气体放电与光源—金属卤化物灯5.灯的外装架小、中功率灯用椭球形外泡壳（有时涂矾酸钇荧光粉增加漫射防眩光），大功率灯用管状外泡壳。三、金属卤化物灯对工作电路的要求（1）卤素和卤化物在气体温度较低时吸收电子形成稳定的负离子，影响灯启动时的雪崩放电。气体放电与光源—金属卤化物灯（2）灯中充汞不能完全解决启动难的问题。1.影响灯启动的因素（3）其他因素如石英管中的氧化铝，氢气等也会带来启动困难。（4）重复着火电压高，且随温度变化，在200℃达到最大值。往往启动15~30s后温度接近200℃，灯熄灭，冷却后重新启动，即灯的重复启动和周期性熄灭现象。（5）镇流器输出电流波形有一定熄灭时间。（1）普通电感镇流器：滞后型电路，有助于重复着火；启动电压有限，线路电压变化时功率变化较大。气体放电与光源—金属卤化物灯（2）自耦变压器和电感结合：启动电压高，笨重，功耗大，成本高。2.常用镇流电路（3）恒功率（CW）镇流器：容性超前型电路，功率调控性能杰出；电流波峰因子大，成本高。（4）恒功率自耦变压器式（CWA）镇流器：超前顶峰式镇流器，性能介于（1）和（3）之间。金属卤化物灯的启动电压和重复着火电压都很高，必须采用新的镇流电路。（1）美标钪－钠灯气体放电与光源—金属卤化物灯采用与高压汞灯类似的辅助电极降低启动电压，CWA镇流器，开路电压300~320V，启动后双金属片受热闭合使辅助电极与主电极间短路。3.美标灯与欧标灯的启动方法（2）欧标钠－铊－铟灯无辅助电极，无双金属片，采用电感镇流器加触发器的方式，触发器产生脉冲高压保证启动。脉冲应在镇流器开路电压的峰值附近产生。四、钠－铊－铟灯的工作特性氩气放电→汞的高气压放电→钠－铊－铟金属辐射气体放电与光源—金属卤化物灯启动到初步稳定约4min，完全稳定需15min，将灯上下颠倒使用时需30min以上。1.启动过程（1）主要由钠铊铟辐射构成，非由汞辐射构成。（2）紫外辐射减少，红外增加，与高压汞灯相反。放电轴心温度约为4800K，低于高压汞灯（5700K）2.辐射光谱特点（3）可见光辐射功率增加，分布比高压汞灯均匀。并不是高压汞灯的简单改进，而是重大革新。高压汞灯有气体放电与光源—金属卤化物灯钠－铊－铟灯忽略石英玻璃和空气的吸收，有3.辐射功率400W灯光效75~80lm/W，色温5500K，显色指数60~65，寿命可达上万小时，很好的街道照明光源增加对提高灯的光效更有效，应将极距做短。4.光特性与应用()10.7210rPP=−()1120rPP=×−1P缺点：光色一致性差，寿命期间光色有漂移，灯特性随电源电压变化较大。8.3稀土金属卤化物灯和分子发光灯气体放电与光源—金属卤化物灯一、灯的结构和特性稀土类金属以及钪、钍等的光谱在整个可见光区有十分密集的谱线，充有这些金属的卤化物的灯能产生显色性很好的光。气体放电与光源—金属卤化物灯蒸气压特点：蒸气压较低，为建立足够高的稀土金属蒸气的分压强，灯的管壁温度比较高，一般照明灯的管壁负载15~30W/cm2，升高灯的工作温度时可得到光色更好的白光。1.稀土金属发光的光谱特性稀土金属和钪的碘化物可和碱金属的碘化物形成络合物分子，从而使它们的蒸气压大大提高。锡和铝的卤化物分子很稳定，在较高温度下也并不完全离解，因此相应的灯内有很强的分子辐射，产生很强的连续光谱，使灯的显色性能很好。气体放电与光源—金属卤化物灯（1）一般照明灯：基本结构与钠－铊－铟灯相同。2.分子发光灯的光谱特性（2）泛光照明灯：大功率的管状灯，有管状的玻璃外壳或没有玻璃外壳。3.灯的构造（3）聚光照明灯：短弧金属卤化物灯，结构形成分为单端灯和双端灯，单端灯功率200~2500W，分为标准型和热启动型，双端灯双边杆较长。气体放电与光源—金属卤化物灯（1）钪－钠灯：光效很高，显色性也不差，很好的照明光源。4.灯的特性和应用场合（2）镝灯：显色性较好，常用于对颜色要求较高的场合。（3）卤化锡灯：光谱几乎与5000K的日光完全相同，模拟太阳光源，光效不是很高，常用于对光源的显色性能有很高要求的场合。（4）短弧金属卤化物灯：主要用于影视、舞台照明和彩色投映。气体放电与光源—金属卤化物灯（1）碘化铝灯5.碘化铝灯和超高压铟灯特点：其光、电参数，特别是色温，在一个很大范围内随管壁温度而变化（先升高后降低）。电极热辐射→强铝原子光谱+碘化铝连续光谱（色温高）→连续光谱为主→能量分布向长波移动应用：可做成色温在3000~6000K的高效率、高显色性的光源。缺点：启动比较困难。气体放电与光源—金属卤化物灯（2）超高压铟灯5.碘化铝灯和超高压铟灯特点：短弧金属卤化物灯，碘化铟压强约10atm，表面负载300~400W/cm2，壁厚3~5mm，电弧长宽比约为4:3。应用：尺寸小，光效高，光色好，适合作为电影放映用光源和显微投影仪光源。缺点：由于管壁负载极高，寿命在100h以内。二、电弧收缩问题钍、钪和稀土金属等带有多线发射谱的金属，其碘化物加入到汞弧中后电弧产生收缩，由管壁稳定型变为非管壁稳定型，电场强度和管压升高。原因：气体放电与光源—金属卤化物灯（1）气体热导率随温度变化有一极值。（2）垂直方向的对流导致收缩，特别是在靠近灯下面电极处。（3）金属原子的电离电位和平均激发电位相差较大，电离主要发生在轴心部分，形成收缩电弧。纠正方法：加一些碱金属或有强共振辐射的金属到电弧中，提高低温区的电离和温度。8.4小功率金属卤化物灯气体放电与光源—金属卤化物灯气体放电与光源—金属卤化物灯特点：体积小、功率小、光效高、显色性好，能取代耗能高的白炽灯和卤钨灯，用于室内及家庭照明，在欧美、日本等还大量用于汽车前照灯。随着功率的减小出现了一系列问题：（1）电弧管损耗功率比例增加，灯光效下降；（2）灯管体积减小，杂质气体相对含量增大；（3）灯电流减小导致电极上电弧热点不稳定；（4）高频工作时有音响共振现象。一、电弧管形状和尺寸的设计气体放电与光源—金属卤化物灯1.双端压封和单端压封（1）双端压封：须涂红外反