照明用HID金卤灯的设计与参数测试.doc

《照明用HID金卤灯的设计与参数测试.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《照明用HID金卤灯的设计与参数测试.doc（38页珍藏版）》请在沃文网上搜索。

1、III照明用HID金卤灯的设计与参数测试摘 要电力危机是当今世界制约经济发展的一大难题，节能减排成为我国和全世界发展面对的重要课题。节能型荧光灯已成为照明领域的主导产品，将大范围代替白炽灯用于家庭及普通公共场所照明。而在许多对光通量、显色性或色纯度、光源体积有高要求的商用照明或公共场所照明等领域，比荧光灯具有更高光效、更好点光源性、更好显色性或色纯度的HID金卤灯显然更能满足这些要求。本文较详细地分析和介绍了HID金卤灯气体放电的原理、HID金卤灯的结构、HID金卤灯的工作发光原理及其制造过程，主要目的在于介绍HID金卤灯的制造过程、材料的选取及应注意的问题。通过对实验样品的光电参数测试可以分

2、析产品性能是否符合要求并了解熟悉光电测试的主流方法和基本原理。当今，电子驱动技术的发展使气体放电灯的发光质量得到进一步的提高。某些车用HID金卤灯镇流器制造厂商已经在为车用HID金卤灯镇流器中使用较高程度集成的IC模块来完成较复杂的驱动工作，不仅体积减小了，而且散热性能更好，稳定性、安全性更高，寿命更长。照明用HID金卤灯的启动速度、启动电压较车用氙气金卤灯低的多，镇流器工艺难度和要求也对应要低。所以可以想象，随着生产工艺的提高和生产成本的降低，高性能的芯片式电子整流器也将用于照明用HID金卤灯的驱动中。考虑到新专利的保密程度以及本人的水平有限，本文只对所设计照明用HID金卤灯匹配一款工艺成熟

3、的电子镇流器。 关键词：HID金卤灯,弧光放电,金属卤化物,惰性气体,光电测试The Design and Parametric Test of Lighting Metal Halide Lamp ABSTRACTToday, China and many countries in the world have been advocating reducing emissions and energy-saving .Fluorescent light has outstanding performance: high-efficiency, high color, performance

4、and stability, becoming a lighting industrys leading products.But in many public places such as makets where lighting require of higher luminous flux,better color or color purity, high-volume requirements of light，The HID Metal Halidewhose Fluorescent light is more than efficiency, better light sour

5、ce, the better the color or color purity obviously better meet these requirements. In this paper,I show a more detailed analysis of the HID metal halide gas discharge principle, HID Metal Halide structure, HID Metal Halide light-emitting principle of the work and its manufacturing process. The main

6、purpose is to introduce the manufacture of metal halide lamp HID, materials selection, and some respects we should pay attention to. Experimental samples of the photovoltaic parameters of the test product performance can be analyzed whether it meets the requirements and make us be familiar with the

7、photovoltaic test methods and the basic tenets of the mainstream. At present, lighting quality becomes better with the development of driving techniques. Some vehicle HID Metal Halide manufacturers have developed a kind of ballast with a higher degree integrated IC module to complete more complex dr

8、ive work，The ballast not only reduces the volume but also has better heat dissipation, stability, security, and longer life expectancy. Lighting HID Metal Halide lamps have lower start-up speed and voltage than vehicle HID Metal Halide Xenon lamps, ballast process corresponds to be lower difficulty

9、and requirements。So just imaginethat with the improvement of production processes and the reduce of production costs, high-performance electronic rectifier chips will also be used in the drive of lighting HID metal halide lamps。Taking into account the extent of new patents, as well as the confidenti

10、ality of my limited, this article is only a match with technology mature for designed lighting HID Metal Halide electronic ballast.KEY WORDS: HID metal halide lamp, arc discharge, metal halide, inert gas, optoelectronic test目 录摘要IABSTRACTII1 课题背景及主要任务11.1 课题研究的目的和意义11.2 照明系统的发展11.2.1 电光源的发展11.2.2 电光

11、源的分类21.2.3 金卤灯的发展21.2.4 照明系统的发展方向31.3 课题来源及主要研究内容32 HID金卤灯放电及发光原理42.1 气体放电的基本过程和原理42.1.1 电子发射42.1.2 带电粒子在气体中的运动52.1.3 弧光放电82.2 金属卤化物的发光机理92.2.1 金属卤化物发光机理92.2.2 金属卤化物的特性103 照明用HID金卤灯的设计123.1 设计目的123.1.1 设计思路来源123.1.2 设计目标参数值123.2 照明用HID金卤灯的结构设计123.2.1 照明用HID金卤灯的结构123.2.2 电弧管的设计133.3 材料的选用143.3.1 电弧管材

12、料143.3.2 外套管材料153.3.3 电极材料153.3.4 汞在金卤灯中的作用163.3.5 金属卤化物163.3.6 钼173.3.7 惰性气体184 照明用HID金卤灯的制造194.1 制造流程194.2 具体制造过程194.2.1 电弧管成型194.2.2 一封电极定位204.2.3 一次夹封214.2.4 手套箱内工序214.2.5 二次夹封224.2.6 装外套管234.2.7 裁管及老练235 照明用HID金卤灯的参数测试245.1 测试原理及方法245.1.1 电光源的重要参数245.1.2 测试原理及方法245.2 测试结果275.3 测试结论分析295.4 照明用HI

13、D金卤灯的改进295.4.1 照明用HID金卤灯存在的问题295.4.2 改进方法296 总结31致 谢32参考文献3333照明用HID金卤灯的设计与参数测试1 课题背景及主要任务1.1 课题研究的目的和意义1879年，爱迪生发明第一盏白炽灯（碳丝白炽灯），开始了人类第一次照明光源技术革命。白炽灯使用寿命短，光效低，但显色度高。第二代照明光源是卤素灯，所发出的光强度远远高出白炽灯，而能耗约降低三分之一。金卤灯因灯泡中填充了金属卤化物而得名，基本构造与发光原理大致与荧光灯管相似，不同之处在于弧光放电点灯，产生高热，金属卤化物升华成为蒸气，直接发出可见光，节能80至90，属第三代照明光源，以光效高

14、、显色性好、使用寿命长等优势，不仅成为高档轿车、背投电视等光源的首选，还可广泛应用于商用及家庭照明、军事、探险、水下作业、野外搜救等领域。与普通白炽灯相比，金卤灯节能效果惊人，市场空间巨大。目前，金卤灯在欧美发达国家发展势头迅猛，已有约40的普及率。金卤灯在我国现在的普及程度不高，近几年我国珠三角及浙江等沿海地区许多照明企业开始投入大量资源进行金卤灯的研发与制造，但国内许多HID金卤灯生产厂家生产设备不够先进，生产工艺依然不够成熟，生产质量控制不严格，因而所生产的HID金卤灯出现寿命短、光色差等问题。本课题借鉴车用氙气金卤灯的制造工艺和设计原理，围绕一款照明用HID金卤灯的设计与制造，重点在说

15、明金卤灯的发光及工作原理以及制造过程，指出应注意的影响HID金卤灯性能的因素，从而希望能生产出高质量的小功率照明用HID金卤灯，满足人们对照明用HID金卤灯的某些特定需求。1.2 照明系统的发展1.2.1 电光源的发展人类对电光源的研究始于18世纪末19世纪初，英国的H.戴维发明碳弧灯。1879年，美国的T.A.爱迪生发明了具有实用价值的碳丝白炽灯 ，使人类从漫长的火光照明进入电气照明时代。1907年采用拉制的钨丝作为白炽体。1912年，美国的I.朗缪尔等人对充气白炽灯进行研究，提高了白炽灯的发光效率并延长了寿命，扩大了白炽灯应用范围。20世纪30年代初，低压钠灯研制成功。1938年，欧洲和美

16、国研制出荧光灯，发光效率和寿命均为白炽灯的3倍以上，这是电光源技术的一大突破。40年代高压汞灯进入实用阶段。50年代末，体积和光衰极小的卤钨灯问世，改变了热辐射光源技术进展滞缓的状态，这是电光源技术的又一重大突破。60年代开发了金属卤化物灯和高压钠灯，其发光效率远高于高压汞灯。80年代出现了细管径紧凑型节能荧光灯、小功率高压钠灯和小功率金属卤化物灯，使电光源进入了小型化、节能化和电子化的新时期。就目前照明灯而言，白炽灯以卤钨灯技术为基础，利于卤素的不断循环，增加了寿命期间的光输出。无极高强度气体放电灯也顺应了绿色照明的潮流。尤其是无极硫灯，利用硫蒸气的分子辐射产生可见光，其光效可高达200lm

17、/w。高强度放电系统的研制方向是使灯更加紧凑及改进光色。金属卤化物灯是将金属卤化物充入汞灯，在输出中添加了金属光谱，分布在红光区或整个光谱内。高压钠灯利用高压强钠蒸气放电。钠原子与电子碰撞产生激发和电离。受激状态钠原子不稳定，辐射光接近视觉，光效高达120lm/w。这些灯具应用在各种场合。1.2.2 电光源的分类电光源一般可分为照明光源和辐射光源两大类。照明光源是以照明为目的，辐射出主要为人眼视觉的可见光谱（波长380780纳米）的电光源，其规格品种繁多，功率从0.1瓦到20千瓦，产量占电光源总产量的 95以上。辐射光源是不以照明为目的，能辐射大量紫外光谱（1380纳米）和红外光谱（78011

18、06纳米）的电光源，它包括紫外光源、红外光源和非照明用的可见光源。以上两大类光源均为非相干光源，此外还有一类相干光源，它通过激发态粒子在受激辐射作用下发光，输出光波波长从短波紫外直到远红外，这种光源称为激光光源。照明光源品种很多，按发光形式分为热辐射光源、气体放电光源和电致发光光源3类。热辐射光源：电流流经导电物体，使之在高温下辐射光能的光源，包括白炽灯和卤钨灯两种。气体放电光源：电流流经气体或金属蒸气，使之产生气体放电而发光的光源，气体放电有弧光放电和辉光放电两种，按放电电压又有低气压、高气压和超高气压3种。弧光放电光源包括：荧光灯、低压钠灯等低气压气体放电灯，高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物

19、灯等高强度气体放电灯，超高压汞灯等超高压气体放电灯，以及碳弧灯、氙灯、某些光谱光源等放电气压跨度较大的气体放电灯。辉光放电光源包括利用负辉区辉光放电的辉光指示光源和利用正柱区辉光放电的霓虹灯，二者均为低气压放电灯，此外还包括某些光谱光源。电致发光光源：在电场作用下，使固体物质发光的光源，它将电能直接转变为光能，包括场致发光光源和发光二极管两种。1.2.3 金卤灯的发展金卤灯，即金属卤化物灯，是在交流电源工作的,在汞和稀有金属的卤化物混合蒸气中产生电弧放电发光的放电灯。早在1911年施泰因梅茨就发现，在汞电弧中引进金属卤化物时能产生金属的光谱。由于当时采用汞槽阴极，冷端温度约357oC ，故除碘

20、化铟、碘化铊外，多数金属碘化物的蒸气压很低，光谱强度很弱。1953年，制成放电中采用碘化钍、不需要电极的微波激发石英发光灯，它产生亮白色的钍发射谱线。50年代末，为了改进高压汞灯的光色，进行了在汞电弧管内充入各种金属及金属卤化物的试验。1961年，第一支金属卤化物灯问世,灯内的发光物质不再是汞,而是金属卤化物（钠、铊、铟的碘化物）。此后，金属卤化物灯得到进一步研究和发展。j3sPf*YjJO(o现在，已经用许多金属卤化物做出了多种类型的灯。用于照明的金属卤化物灯，不仅光色比高压汞灯大为改善，而且光效也有了很大提高。小功率金属卤化物灯是20 世纪60 年代开始研制的一种高效节能光源,其功率相对较

21、小、光效高、光色好、结构紧凑,满足市场对光源的要求，因此发展很快，市场需求量大。但金卤灯启动难是国内各光源公司特别关注的问题。由于许多国家和地区的电网电压及频率不同于我国，使出口的小功率金卤灯启动难甚至点不亮，而不被客户所接受,直接影响到出口。为解决金卤灯的启动问题，国内各大制灯企业都在使用85Kr作为金卤灯的启动剂，基本解决了金卤灯的启动问题。1.2.4 照明系统的发展方向电光源工业发展经过了一个多世纪的发展，仍然以高速度进行革新，包括了照明系统的各个方面:光源、镇流器、灯具和控制系统。它的主要方向，即不断增加照明系统的效率，减少能量消耗，能够满足人类的照明要求的、全新的、智能化的、人性化的

22、照明系统。1.3 课题来源及主要研究内容在世界各国大力倡导节能减排的号召下，在我国提出逐步用荧光灯取代白炽灯的政策下，实现以及合理利用高性能荧光灯照明又是一个新课题，且自镇流紧凑型荧光灯在照明系统中占据着非常重要的地位。基于上述原因，本课题研究的主要内容如下:（a）较详细地分析了HID金卤灯气体放电的原理以及金属卤化物参与放光的过程，从而解释了金卤灯的发光机理和它作为高性能照明光源的原因。（b）介绍了一种作为照明用HID金卤灯的石英金卤灯，描述了其基本结构，它的结构并不复杂，但是对材料的要求很高，本文对其材料的选用和作用也作了较细致地说明。（c）生产制造过程的控制是直接关系到一种电光源的设计能

23、否成为现实，为人们所利用，而实际工艺的规范化、简单化、合理化，生产条件的监控往往需要更多关注。本文对石英金卤灯的制造主要工序分别作了介绍说明，方便今后在实际生产中对工艺及设备改进的思考。（d）电光源的性能测试在数据上直观地表明了该种灯的研制是否成功，是否能满足人们的需求，是否具有市场潜力和继续研发的必要，同时也能在一定程度上反映制造过程中出现的问题。本文对电光源主要性能参数的测试方法做了说明。（e）通过实验结果数据与设计目标参数的对比分析，衡量设计制造是否合理、成功，讨论照明用HID金卤灯制造过程需注意的问题及其应用前景和方向。2 HID金卤灯放电及发光原理2.1 气体放电的基本过程和原理与热

24、辐射光源不同，气体放电灯是基于气体放电。所谓气体放电，就是指电流通过气体媒质时所发生的物理过程。气体放电现象在日常生活和工作中经常可以看到，夏天雷雨时的电闪就是在大气发生的一种放电过程。工业上广泛使用的电焊机，则是利用气体放电进行焊接的。在闪电和电焊时，都可以看到有很强的光产生，此现象也属于气体放电发光。虽然气体放电有很多种类，但各种气体放电灯的基本结构都大同小异。一般的气体发光的基本过程是三级式的:自由电子被外电场加速;当运动的电子与气体原子碰撞时，电子的动能就转交给原子使其激发；当受激发原子返回基态时，所吸收的能量以辐射发光的形式释放出来。自由电子不断被外电场加速，上述三级式的过程也就不断

25、地在灯中进行。2.1.1 电子发射在气体放电灯工作时，灯内存在大量的电子、正离子等带点离子，这些粒子在电场作用下形成电流。在放电的正柱区，电子、正离子的浓度相等，由于正离子质量大、速度慢，对电流的贡献可以忽略，因此正柱区的电流主要是电子的电流，要维持放电电流，阴极必须源源不断提供电子。通常把阴极提供电子的过程称之为电子发射。阴极的表面有很多自由电子，但这些电子通常并不能逸出表面跑到周围媒质中去，要从阴极逸出，电子必须取得一定得能量，这个能量以eV(电子伏特)为单位表示。对一给定的阴极，在绝对零度时，如果电子逸出所需的最小能量是eV，那么就称为该阴极的功函数或逸出功。表2-1为几种常用的阴极材料

26、的功函数。表2-1 几种常用阴极材料的功函数材料铯钡铝铜铁镍钼钨钍-钨/eV1.932.514.204.484.634.914.244.542.63可以用多种方法使电子获得足够的能量从阴极逸出，主要方式有加热、正离子轰击和场致发射等。而本文主要论述的照明用HID金卤灯就是基于场致发射和热电子发射来发射电子的。下面就简单介绍下热电子发射和场致发射这两种阴极发射形式。（1）热电子发射所有电子的速度并不是相同的，而有一个速度分布。既有速度快的，也有速度慢的，因而只有那些足够快的电子向着表面运动时，才有可能从阴极逸出。当阴极被加热时，其中电子的平均速度增加。随着阴极温度的升高，有越来越多的电子得到足够

27、的速度从阴极中逸出，使发射增加。功函数为的阴极在绝对温度T的发射密度j（A/cm2）可用公式表示为 (2-1)式中，常数。实际上，由于杂质和表面的缺陷，对大部分金属来说，的值大约只有60。由上式可知，功函数和温度对发射电流密度j的影响很大。在同样的温度下，功函数低的材料，发射的电流密度大。从以上讨论可知，选择作为热阴极的材料，功函数要小；但除此之外，还必须考虑一些其他的要求。既然阴极需要比较高的温度，因此阴极材料必须有较高的熔点和较低的蒸发率，否则，即使逸出功很低，但不能作为热发射阴极。例如从表2.2.1可知铯的功函数很低，但它的熔点只有28.5 oC，显然不能作为热电子发射材料。另外阴极的材

28、料还应便于加工成形。从这些要求来看，钨是一种基本的热电子发射材料。车用氙气金卤灯用的是钍-钨电极，这种电极不但耐高温、不宜蒸发，而且逸出功只有2.63eV，是比较理想的热发射阴极材料。这种材料也可以很好地作为照明用HID金卤灯的阴极材料。（2）场致发射 阴极在外界强电场的作用下，不仅有效功函数降低，即位垒降低，而且位垒还要变窄，因而电子可能透过位垒（隧道效应）。这时只要外电场足够强，阴极即使在绝对零度时也能产生电子发射。这种形式的电子发射称为场致发射。 在气体放电灯工作时，尽管灯管上的电压并不高，但如果在电极附近很小的范围内形成很强的空间电荷层，那么就可能在这一区域造成极强的电场，引起场致发射

29、。12.1.2 带电粒子在气体中的运动 上节提到，从阴极发射的电子在到达阳极之前，要在放电空间中与气体发生复杂的相互作用。这粒子主要经历加速、碰撞、激发和电离的过程，最后一部分粒子到达阳极。就在这复杂的相互作用的过程中，产生气体放电现象。（1）粒子的碰撞、激发和电离 基于碰撞的本质是相互作用，我们认为：当两个粒子相对运动时，他们的距离先是不断地减少，到达了一定距离后又增加，在此过程中只要两个粒子中的任意一个粒子的物理状态发生了变化，就说他们之间发生了碰撞。微粒间的大多数碰撞为弹性碰撞，即碰撞前后动量守恒、动能守恒，没有内部能量的变化。很少一部分碰撞为非弹性碰撞，前提是粒子的动能或势能很大，引起

30、了粒子间内能的交换。 碰撞前后遵守总能量守恒、总动量守恒。非弹性碰撞的主要类型：激发碰撞、电离碰撞。图2-1和图2-2分别为激发碰撞和电离碰撞示意图。 图2-1 激发碰撞 图2-2 电离碰撞当处于基态OG（见图2-3）的原子和动能小于En的电子相碰时，只能产生弹性碰撞。如果电子的能量大于Em，原子就有可能被激发到m态。而碰撞后的电子则继续运动，不过他的能量在碰撞后减少了Em。这些电子重新在电场的加速下获得能量，再与其他的气体发生原子发生碰撞。其他能级的激发也是如此。电子碰撞造成原子激发的过程，可以用下列形式表示为： e*+AA*+e (2-2)其中，A代表基态原子，A*代表受激原子，e*表示快

31、速电子，e表示慢速电子。 原子可能被激发，也可能不被激发，也就是说，原子的技法过程有一定几率，激发几率定义为实现指定能级的激发次数与电子动能大于此能级时的碰撞次数之比。激发几率随电子的动能而变化。激发几率不但对各种气体不同，而且对同一原子的不同能级也各不相同。一般的，产生最大的激发几率的电子能量 图2-3 原子能级示意图Emax是激发能Eex的几倍。当电子动能大于电离能时，它就可能使与之碰撞的原子电离成正离子和电子。这一过程可用下式表示 e*+AA+e+e （2-3）其中，A+表示由原子A电离而得的正离子。与原子的激发一样，电离的发生也是几率性的，电离几率的大小也和电子的动能有关。当电子能量小

32、于电离能时，电离几率为零。当电子能量增加到100eV左右时，电离几率一直增加。最大电离几率发生在电子能量为电力能的510倍时，与激发几率的数值相比，电离几率的数值比较大。（2）气体放电的形成和分类 一般的HID灯放电通常都经历以下几个过程（图2-4）：OA段：由于外致电离，在灯管中存在大量带电的粒子，在电场的作用下，这些带电粒子向电极运动，从而形成电流。随着电场的增强，带电粒子的速度增加，复合减少，电流增大。AB段：当电场继续增强时，所有外致电离产生的带电粒子全部到达电极，这时电流就饱和了。图 图2-4 气体放电全伏安特性曲线 图2-5 雪崩放电示意图BC段：电压V继续升高，电场将使初始的带电

33、粒子的速度增加到很大，他们与中性原子碰撞使之电离；而中性原子产生的电离产生的电子又被电场加速后和另外的一些中性原子作电离碰撞，形成更多的电子。这样电子数就雪崩式地增加了。因此BC段也称为雪崩放电或汤生放电。 CD段：在C点，通过灯的电流突然增加至D点，管压降随即迅速降低，同时在灯管中产生了可见的光辉，CD点为气体放电的着火点，相应的电压Vz称为灯管的着火电压。在灯管着火时，有以下条件成立，即 （2-4）式中，d是阴极和阳极之间的距离，为一个电子在沿着阴极到阳极方向运动单位路程时与气体原子碰撞所产生的电离次数，为一个正离子轰击阴极表面时从阴极逸出的次级电子数。（2-4）式所表示的物理图像十分清楚

34、：在阴极发出一个电子，这个电子在到达阳极的过程中产生次电离碰撞，因而产生同样数目的正离子。这些正离子打上阴极后将产生个二次电子，而这些二次电子的数目仍为1.这也就是说，一个电子自阴极逸出后所产生的各种直接和间接地过程将阳极再发射一个电子。这样，放电当然就能自我维持，不再需要外致电离因素。 EF段：不论增加V还是减小回路电阻R使电流增加，管压降基本不变。这一段称为正常辉光放电。正常辉光放电时管压降能维持不变是因为在这个范围内阴极并没有全部用于发射，用于发射的面积正比于电流，故这时阴极上的电流密度是一常数。当整个阴极面都用于发射（对应F点）之后，如果还继续增大电流的话，阴极电流密度就必须增加，造成

35、管压上升，这样就进入异常辉光放电FG。GH段：其后，如果再使放电电流增加，由于电极温度升高转入热电子发射，特性又一次突变，管压大幅度降低，电流迅速增加，这就形成弧光放电的GH段。 综上所述，在OC段的放电时非自持的，如果去除外致电离，则电流立即停止，C点以后的放电是自持放电。从E点开始，以后都是稳定的自持放电。从图2-4可以看出，非自持放电电流大约在10-6A以下，辉光放电电流为10-610-1A，而弧光放电的电流约在10-1A 以上。1通过上述分析，我们知道，放电形式有两种：辉光放电和弧光放电。辉光放电是在低压气体显示辉光放电的现象。而随着放电的发展，温度渐渐升高，泡壳内的金属卤化物逐渐蒸发

36、，压强因此增大。放电也由辉光放电向弧光放电过渡。这过程持续在毫秒量级，需要外界触发脉冲支持。 上述放电发展过程适用于高压汞灯、钠灯、照明用HID金卤灯，以及超高压汞灯等初始气压较低的弧光放电灯。2.1.3 弧光放电弧光放电是两个电极在一定电压下由气态带电粒子，如电子或离子，维持导电并呈现弧状白光、产生高温的气体放电现象。无论在稀薄气体、金属蒸气或大气中，当电源功率较大，能提供足够大的电流（几安到几十安），使气体击穿，发出强烈光辉，产生高温（几千到上万度），这种气体自持放电的形式就是弧光放电。通常产生弧光放电的方法是使两电极接触后随即分开，因短路发热，使阴极表面温度陡增，产生热电子发射 。热电子

37、发射使碰撞电离及阴极的二次电子发射急剧增加，从而使两极间的气体具有良好的导电性。弧光放电的特征是电压不高，电流增大的两极间电压反而下降，有强烈光辉。弧光放电主要发射原子谱线，是发射光谱分析常用的激发方式。通常分为直流弧光放电和交流弧光放电两种。 弧光放电是气体放电中最强烈的一种自持放电。当电源提供较大功率的电能时，若极间电压不高（约几十伏），两极间气体或金属蒸气中可持续通过较强的电流（几安至几十安）,并发出强烈的光辉,产生高温（几千至上万度），这就是弧光放电。 弧光放电最显著的外观特征是明亮的弧光柱和电极斑点。电弧的重要特点是电流增大时,极间电压下降,弧柱电位梯度也低，每厘米长电弧电压降通常不

38、过几百伏，有时在1伏以下。弧柱的电流密度很高,每平方厘米可达几千安，极斑上的电流密度更高。 弧光放电可分为 3个区域：阴极区、弧柱和阳极区。其导电的机理是：阴极依靠场致电子发射和热电子发射效应发射电子；弧柱依靠其中粒子热运动相互碰撞产生自由电子及正离子，呈现导电性，这种电离过程称为热电离；阳极起收集电子等作用，对电弧过程影响常较小。在弧柱中，与热电离作用相反，电子与正离子会因复合而成为中性粒子或扩散到弧柱外，这一现象称为去电离。在稳定电弧放电中，电离速度与去电离速度相同，形成电离平衡。能量平衡是描述电弧放电现象的又一重要定律。能量的产生是电弧的焦耳热，能量的发散则通过辐射、对流和传导三种途径。

39、改变散热条件可使电弧参数改变，并影响放电的稳定性。 电弧是一束高温电离气体，通常可分为长弧和短弧两类，长弧中弧柱起重要作用，短弧长度在几毫米以下，阴极区和阳极区起主要作用。根据电弧所处的介质不同又分为气中电弧和真空电弧两种。液体(油或水)中的电弧实际在气泡中放电，也属于气中电弧，真空电弧实际是在稀薄的电极材料蒸气中放电。这二种电弧的特性有较大差别。 在外力作用下， 如气流，外界磁场甚至电弧本身产生的磁场作用下会迅速移动（每秒可达几百米），拉长、卷曲形成十分复杂的形状。电弧在电极上的孳生点也会快速移动或跳动。由于弧光放电产生后，放电电压随着电流的增加反而降低，这一特性称为负阻特性。具有负阻特性的

40、放电器件是不能直接接到电源上的。否则放电一经产生，放电电压立即下降，电压的下降促使电流很快增加，而电流的增加又使放电电压进一步降低，这一过程很快使放电管或线路烧毁。为了防止这种情况的产生，在弧光放电器件中必须串联限制电流无限制增长的元件镇流元件。镇流元件可以是电阻、电容、电感，主要是电感镇流器或电子镇流器。2.1.4 获得弧光放电的方法弧光放电可以用以下几种方法获得。通过升高电源电压或减小回路电阻增加电流，放电就从正常辉光放电进入异常辉光放电。再增加电流时，由于电流密度和阴极位降加大而使正离子动能和数量不断增加，因此使阴极温度升高产生热电子发射；或者使阴极材料大量蒸发而在阴极附近极薄的范围内产

41、生很高的气压，形成极强的正空间电荷，从而产生强电场发射。无论是形成哪一种发射，都是使放电由辉光放电过度到弧光放电。对前一种发射，阴极工作温度很高，所以称为热阴极电弧；对后一种发射，阴极工作温度不高，所以称为冷阴极电弧。弧光放电也可以不是有辉光放电过度而来，而是由电极分离获得。在电极分开的瞬间产生火花，其中含有浓度很大的电子和离子，在这些电子和离子的作用下迅速形成热阴极电弧或冷阴极电弧。2.2 金属卤化物的发光机理2.2.1 金属卤化物发光机理金卤灯电弧管内充有汞、惰性气体和一种以上的金属卤化物。工作时，汞蒸发，电弧管内汞蒸气压达几个大气压（零点几个兆帕）；卤化物也从管壁上蒸发，扩散进入高温电弧

42、柱内分解,金属原子被电离激发,辐射出特征谱线。当金属离子扩散返回管壁时，在靠近管壁的较冷区域中与卤原子相遇，并且重新结合生成卤化物分子。这种循环过程不断地向电弧提供金属蒸气。电弧轴心处的金属蒸气分压与管壁处卤化物蒸气的分压相近,一般为 133013300Pa。通常采用的金属平均激发电位为4eV左右,而汞的激发电位为7.8eV。因此,金属光谱的总辐射功率可以大幅度超过汞的辐射功率。结果，典型的金属卤化物灯输出的谱线主要是金属光谱。因此，充填不同种金属卤化物可改善灯的显色性（平均显色指数Ra为7095）。汞电弧总辐射中仅有23在可见光区域内，而金属卤化物电弧的总辐射则有50以上在可见光区域内，灯的

43、发光效率可高达120lm/W以上。金卤灯在燃点过程中，由于管壁和电弧中心温度相差很大，金属卤化物会产生分解和再复合的循环过程，如图24所示，具体的过程描述如下：图2-6 金卤灯中金属卤化物循环示意图第一步：在电弧中心的高温区域（约40006000K），金属卤化物分子分解为金属原子和卤素原子，由于浓度梯度，金属原子从电弧中心向温度较低的电弧管壁扩散；第二步：在靠近管壁的地方，温度和蒸气压力允许金属和卤化物形成稳定的不会腐蚀电弧管的卤化物分子；第三步：当金属卤化物分子接近热电弧中心时，金属卤化物分子分解为金属原子和卤素原子；第四步：金属原子参与放电，产生辐射并发光。就这样，靠着这种循环，不断向电弧

44、提供足够浓度的金属原子，同时又避免了金属在管壁的沉积。但值得注意的是，有时金属原子并不跟卤化物化合，而是透过电弧管迁移，经过一段时间后，当足够多的金属原子损失后，灯将会失效。上面的循环过程表明，加入灯内的金属卤化物，除了必须满足蒸气压高及不与石英玻璃起反应外，还应满足另外三个条件。首先，在电弧温度（2 500K）下不稳定，能分解成金属和卤素原子；其次在管壁温度下能保持稳定，不会在管壁析出金属；最后在室温时的蒸气压低。下面我们对这三个条件分别加以说明。在灯内，金属卤化物的反应方程式是： MXn M+nX （2-5）上式中M表示金属，X表示卤素，n式金属原子的价数。2.2.2 金属卤化物的特性金属

45、和卤素化合所生成的化合物称为金属卤化物，也可看作氢卤酸的金属盐。金属卤化物有两个重要的特性：（a）金属卤化物的蒸汽压一般都比金属自身的蒸汽压高得多，几乎所有的金属卤化物在1000K（石英泡壳工作温度）时的蒸汽压都大于133.32Pa（1torr）。（b） 除金属的氟化物以外，其他金属卤化物都不和石英玻璃发生明显的化学作用。正是由于金属卤化物有上述特性，它们才能够添加到汞放电灯电弧中去，从而制成金属卤化物灯，不仅光色比高压汞灯大为改善，而且光效也有明显提高。如果任意取出两种或几种金属元素的卤化物加以组合，可以做出成千上万种的灯。当然不能任意组合，而是要根据所要求的光谱特性来选择金属卤化物添加剂的

46、。目前，选择适当的金属卤化物并控制它们的比例，已经做出几百种金属卤化物灯。根据所做出的灯的光谱能量分布，基本上可把金属卤化物灯分成四类，：（a）稀疏强线光谱。例如钠-铊-铟-锂的碘化物灯。（b）密集线光谱。例如镝-铊-铟的碘化物灯。（c）连续光谱。例如卤化锡灯。（d）纯度很高的光谱。例如碘化铊灯，535nm共振线，绿光。金属卤化物灯所用的金属卤化物应满足下述要求：（a）在泡壁可达到的温度下有高的蒸汽压。（b）化合物的分解温度应高于泡壁温度。（c）在电弧温度下完全分解成金属和卤素原子；在电弧之外，化合物极易形成。（d）对泡壳材料及电极材料无有害影响。（e）金属元素给出所需的特征辐射，其激发电位低

47、于参加放电的其他元素的谱线激发电位。（f）由最少元素数目组成，以利于形成密闭的循环。上述这些要求，金属元素的碘化物能够满足。23 照明用HID金卤灯的设计3.1 设计目的3.1.1 设计思路来源这几年国家正在大力推广节能照明项目，在普通家庭及商场、车间厂房照明领域等用节能的照明灯具逐步取代原有的以白炽灯为主的高耗能、低寿命照明光源。金属卤化物灯是继白炽灯和荧光灯后的第三代电光源，它比节能型荧光灯具有更高的光效，显色性、光色能做得更好，体积更小，功率范围能做得更大，因而广受人们关注。在许多对照明效果及质量具有高要求而荧光灯却满足不了的照明场所，照明用HID金卤灯显然更能满足人们的这些需求。在许多商用场所，如水族馆、首饰卖场、娱乐场所等的照明中需要用到对光通量、显色性或光色具有高要求