第八章金属卤化物灯

气体放电与光源—金属卤化物灯
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。
2. 常用镇流电路
（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。
（2）自耦变压器和电感结合：启动电压高，笨重， 功耗大，成本高。 （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。
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。
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2. 分子发光灯的光谱特性
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。
3. 灯的构造
（1）一般照明灯：基本结构与钠－铊－铟灯相同。 （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。
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5. 碘化铝灯和超高压铟灯
（2）超高压铟灯 特点：短弧金属卤化物灯，碘化铟压强约 10 atm， 表面负载300~400 W/cm2，壁厚3~5 mm，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100 h以内。
MXn M + nX
( ) pMXn
pM pXn
= Kp
T
K p (T ) 1，化合物化解； K p (T ) 1，化合物合成。
要求在2500 K以上的温度时K p (T ) 小，以便在电弧
的发光部分有较高的金属蒸气分压强。
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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。
（2）灯中充汞不能完全解决启动难的问题。 （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。
（5）镇流器输出电流波形有一定熄灭时间。 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。
（1）大多数金属蒸气压很低，1000 K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。
能添加的金属（锌、镉）对光色无改善或导致光 效低。
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2. 金属卤化物的优良特性
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。
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。
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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 2400~10000 K的各种金属卤化物灯，可分为4类： （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。
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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：
（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。
pM
=pMXn pXn
×
1
K p (Tw )
<
pM′
(Tw )
pM′ (Tw ) 很低，K p (Tw )必须很高，或者 pX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。
（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。
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2. 电弧管的形状和尺寸
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。
（1）电弧管比高压汞灯小，管壁负载约14W/cm2。 （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。
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5. 灯的外装架
早期外装架出现钠损失，现设计出无支架的灯。
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。
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三、金属卤化物灯对工作电路的要求
1. 影响灯启动的因素
（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。
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第八章 金属卤化物灯
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8.1 金属卤化物灯的 基本原理
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一、金属卤化物循环
1. 高压汞灯中加入金属的尝试
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。
这方面工作遇到了两个困难：
加入碘化铟（蓝线451.1 nm）改善光色，牺牲光效。 光色要求高时再加入碘化锂。
一、铊原子绿线辐射强度的计算
（1）铊535 nm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。
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3. 美标灯与欧标灯的启动方法
（1）美标钪－钠灯 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。
（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。
（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200~2500 W， 分为标准型和热启动型，双端灯双边杆较长。
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4. 灯的特性和应用场合
（1）钪－钠灯：光效很高，显色性也不差，很好 的照明光源。
（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5000 K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。
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8.3 稀土金属卤化物灯 和分子发光灯
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一、灯的结构和特性
1. 稀土金属发光的光谱特性
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。
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ห้องสมุดไป่ตู้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。
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5. 碘化铝灯和超高压铟灯
（1）碘化铝灯 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3000~6000 K的高效率、高显 色性的光源。 缺点：启动比较困难。
管轴处
金属卤化物分 子分解，金属 原子产生辐射
金属原子与卤 管壁处 素原子扩散 金属原子和卤
素原子复合成
金属卤化物分 金属卤化物 子。 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。
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金属卤化物还应满足的条件：
（1）在电弧温度（>2500 K）下不稳定，能分解 成金属和卤素。
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3. 电极的材料和形状
（1）不能采用碱土金属（如钡）氧化物作发射材料。 （2）可采用纯钨电极，但很难做成长寿命的灯。 （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。
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100 Pa。 （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。
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。
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3. 金属卤化物循环过程
并不是高压汞灯的简单改进，而是重大革新。
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3. 辐射功率
高压汞灯有
= Pr 0.72( P1 −10)
钠－铊－铟灯忽略石英玻璃和空气的吸收，有
Pr =1× ( P1 − 20)
增加 P1 对提高灯的光效更有效，应将极距做短。
4. 光特性与应用
400 W灯光效75~80 lm/W，色温5500 K，显色指数 60~65，寿命可达上万小时，很好的街道照明光源 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。
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四、钠－铊－铟灯的工作特性
1. 启动过程
氩气放电→汞的高气压放电→钠－铊－铟金属辐射 启动到初步稳定约4 min，完全稳定需15 min，将 灯上下颠倒使用时需30 min以上。
2. 辐射光谱特点
（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。 （3）可见光辐射功率增加，分布比高压汞灯均匀。 放电轴心温度约为4800 K，低于高压汞灯（5700 K）
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（4 V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：
（1）建立高气压（1~10 atm）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。 （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。 一般采用汞作缓冲气体，有时用氙，有时不充。
（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。
（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。
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8.2 钠－铊－铟金属 卤化物灯
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碘化钠－碘化铊灯，共振电位低，辐射强线 （589.0~589.6 nm和535 nm）在视见函数最大值附 近，因此有很高光效，光色带黄－绿色。
二、钠－铊－铟灯的实验设计
1. 灯中各种成分充量的实验研究
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。 （1）铊535 nm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0.22 mg/cm3。
（2）铟451.1 nm蓝线改进显色性，最佳充量0.02 mg/cm3。 （3）钠黄线对提高光效和显色性均有用，最佳充 量为1.5~2.0 mg/cm3。 通常用于街道或广场照明，显色性60左右。
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。
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4. 灯的填充物
充入严格定量的汞（工作气压1~10 atm），氩气或 氖－氩潘宁气体作为启动气体。
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。
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。