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1.工作原理

      汞蒸氣放電的光效隨汞蒸氣壓而改變?nèi)鐖D3.3.9所示。在AB段,光效隨汞蒸氣氣壓的升高而增加,這是由于隨著氣壓的升高有更的汞原子處于6P態(tài),并被激發(fā)到更高的能級,且在更高的能級之間躍遷而發(fā)出可見光在BC段中,汞蒸氣氣壓進一步升高,由于汞原子的濃度增大,電子和汞原子的彈性碰撞幾率增加。電子通過頻繁的彈性碰撞將能量傳遞給原子,使汞蒸氣的溫度升高,造成所謂的“體積損耗”,光效下降。到C點以后,氣體的溫度已經(jīng)升得足夠高,使汞原子產(chǎn)生熱電離和熱激發(fā)。這時,有越來越多的汞原子被激發(fā)到較高的能級而發(fā)出可見光,所以隨氣壓的升高光效又開始上升。同時,由于管壁附近溫度較低,不足以產(chǎn)生熱激發(fā)和熱電離,發(fā)光電弧白燈的軸心收縮。汞蒸氣氣壓越高,這一收縮便越明顯,被稱為電弧的繩化現(xiàn)象。在 DE段,汞蒸氣氣壓為1~5atm,電弧的軸心溫度約為5500K,此時汞蒸氣放電有較高的光效,也比較容易使燈的電參數(shù)與220V市電相配合,因此一般的高壓汞燈就是工作在這一區(qū)域。在EF段,則是超高氣壓放電。

圖3.3.9 汞蒸氣放電的光效與氣壓的關(guān)系

      從高壓汞燈啟動到趨向穩(wěn)定的過程中,可以看出汞蒸氣壓對燈特性的影響。剛開啟時燈管兩端的電壓是很低的,約為20V,同時放電充滿燈管,并呈現(xiàn)藍色。在這個階段,燈管工作在低氣壓放電,和熒光燈相類似,在254nm的紫外區(qū)域有強輻射。隨著燈溫度的逐漸升高,愈來愈多的汞被蒸發(fā),汞蒸氣壓強也隨之增大,升高了的汞蒸氣壓使電弧沿著燈管的軸收縮成狹小的帶。隨著汞蒸氣壓的進一步升高,輻射能量逐漸向長波方向的光譜線移動,并有少量的連續(xù)光譜輻射,所以放電的光逐漸變白。正常工作時的蒸氣壓是2~10atm,具體的值視燈的額定功率而定。

2.結(jié)構(gòu)和設(shè)計

      最早的汞燈電弧管是由硼硅酸鹽玻璃制造的,工作氣壓僅限于1atm,這種汞燈是現(xiàn)在廣泛采用的普通規(guī)格高壓汞燈的前身?，F(xiàn)在,高壓汞燈的放電管都是采用熔融石英管制成的,它能允許放電管在高壓、高溫下工作,從而汞燈的光效得到了提高。放電管可以裝在透明的或涂熒光粉的或有反射器的泡殼中,結(jié)構(gòu)如圖 3.3.10所示。

圖3.3.10 高壓汞燈的結(jié)構(gòu)示意圖

      目前,照明使用的高壓汞燈(highpressure mercuryvapour lamp，HPMV)主要有以下3種類型:

電阻

①HPMV燈。250 W涂熒光粉的高壓汞燈的結(jié)構(gòu),如圖3.3.11(a)所示。電弧管發(fā)射汞放電典型的帶綠的白光和一些紫外光線,但缺少光譜中的紅光成分。熒光粉將紫外光線轉(zhuǎn)換為600~700nm的紅色光,通常能提高燈的光效。電弧管和熒光粉發(fā)出的綜合光,能被街道、公路和某些室內(nèi)的商業(yè)照明所接受。②HPMV反射型燈。這是一類將放電管裝在拋物面反射泡內(nèi)的高壓汞燈,如圖 3.3.11(b)所示。外泡殼內(nèi)表面涂有精細氧化鈦粉末,它對可見光有 95%左右的反射率氧化鈦上面有熒光粉涂層,而泡殼的前面部分通常是透明的。反射燈泡的光強角分布表明當(dāng)燈頭在上方點燃時,有90%以上的可見光射向燈平面以下

③ HPMV 鎢絲鎮(zhèn)流型燈。燈的構(gòu)造如圖3.3.11(c)所示,電弧管上串聯(lián)了燈絲以限制燈管電流。這種燈絲在設(shè)計時就應(yīng)考慮能維持長的壽命,并在啟動時燈絲能承受升高的負載電流。這類燈沒有其他附加的限流器,但是它的總光效比用電感鎮(zhèn)流器的燈要低得多。

圖3.3.11 不同類型的 250 W高壓汞燈

3.工作特性

(1)電特性

     高壓汞燈鎮(zhèn)流器的選擇在某種程度上取決于電源電壓。英國和歐洲一般采用串接電感的方法,并在電源兩端并聯(lián)電容器,為的是提高功率因數(shù)。對低電壓供電的地方,如110V通常使用高電抗的變壓器。

①啟動和穩(wěn)定過程。當(dāng)電源開關(guān)接通時,輔助電極和鄰近的主電極之間產(chǎn)生局部放電,氬氣和汞一起能形成潘寧混合氣體而有利于啟動,其電流值受串聯(lián)電阻的限制。隨著局部輝光放電的逐漸擴大,最后導(dǎo)致主電極之間擊穿放電。溫度對汞蒸氣壓的影響比較大一般出現(xiàn)溫度降低啟動電壓升高的情況。

      在燈點燃的初始階段,是低氣壓的汞蒸氣和氬氣放電,這時燈管電壓很低,放電電流很大。放電產(chǎn)生的熱量使管壁溫度上升,汞蒸氣壓、燈管電壓逐漸升高,電弧開始收縮,放電逐步向高氣壓放電過渡。當(dāng)汞全部蒸發(fā)后,管壓開始穩(wěn)定,成為穩(wěn)定的高壓汞蒸氣放電。高壓汞燈從啟動到正常工作需要 4~10 min 時間,圖3.3.12所示為在穩(wěn)定  過程中燈的特性變化的情況。

② 燈的再啟動。高壓汞燈工作時,燈內(nèi)的氣壓高達幾個大氣壓,如果沒有特別的裝置高壓汞燈一旦熄滅后,就不可能立即重新觸發(fā),燈內(nèi)的蒸氣壓要經(jīng)過幾分鐘的延遲后才能冷卻下來,從而可在原來的擊穿電壓下重新使燈燃點工作。

圖3.3.12 高壓汞燈的穩(wěn)定過程特性

③電源電壓的變化。因為高壓汞燈工作時,燈內(nèi)的液態(tài)汞都蒸發(fā)了,所以氣壓隨溫度的變化是很小的,同樣的燈管電壓在電源電壓變化時變化也甚小。燈管電流是由鎮(zhèn)流器控制的,如果電源電壓急劇下降,則先會使電流下降,相應(yīng)的燈管電壓上升,然后燈管電壓會高到不能使電路穩(wěn)定,造成熄弧。

(2)光輸出

      典型的高壓汞燈消耗的250W能量中只有114W轉(zhuǎn)換成輻射,余下的在電極上和在電弧的非輻射過程中,以及在加熱外泡殼的過程中損耗了。對透明的高壓汞燈,輻射中含有39W紫外、39W紅外、36W可見光。紫外線中僅有約13W的能量能透過玻璃泡殼,其絕大部分是在紫外波段365nm的區(qū)域中。在涂熒光粉的燈中,有8W的紫外光被熒光粉轉(zhuǎn)換成可見光,同時約有4W的直接可見光被損失掉,所以總的可見輻射從36W增加到40W更為重要的是,轉(zhuǎn)換成的可見光是汞燈電弧本身發(fā)出的光中所缺少的紅光輻射。

      透明泡殼燈明顯地缺乏紅光部分的輻射,顯色性能比較差,而涂熒光粉的燈由于涂有目前廣泛使用的銪激發(fā)的釩酸釔熒光粉,因此可看到它的光譜能量分布有所改善。至于帶鎢絲自鎮(zhèn)流型燈,其光譜能量分布有了進一步的改善,但光效極低。表3.3.2中對這3種類型的高壓汞燈做了對比,其中紅光比定義為透過紅色濾光片的光通量所占的比例。

表 3.3.2 典型的 250 W高壓汞燈的光輸出和顏色特性

 

型號	光效（100h）/(Im?W-1)	顯色指數(shù)R0	相關(guān)色溫/K	紅光比/%
				x	y
透明泡殼	52	16	6000	0.315	0.380	1-2
涂熒光粉泡殼	54	48	3800	0.390	0.385	12
鎢絲鎮(zhèn)流	20	52	3600	0.400	0.385	15

 

    高壓錄燈的報壞一般是由于電極發(fā)射材料耗盡,使電弧不能友。至于雷鎢絲自鎮(zhèn)流

(3)壽命

      個別的高壓錄燈,甚至可以點燃幾萬個小時。但在它點燃2000h之后,燈的流明維型燈,其壽命由于燈絲燒毀而中止。率對涂熒光粉的高壓汞燈來說是80%,對帶絲自鎮(zhèn)流型高壓汞燈來說是75%。因為光出逐漸衰退的緣故,大約在高壓錄燈點燃8000~10000b后,即使燈仍可點燃,也應(yīng)更換新燈。

      在一些實際應(yīng)用場合,對光源的亮度有非常高的要求,如投影系統(tǒng)需要高達10°cd·mn以上的亮度。普通高壓汞燈的亮度可達10’cd。m-,不能滿足上述要求,這時可以采取的方法是犧牲光效來提高亮度,超高壓汞燈就是這樣一種光源。超高壓汞燈通過提高求蒸氣壓強來增加單位體積中的放電功率,達到提高燈的亮度的目的,其工作氣壓超討20 atm。超高氣壓汞蒸氣放電的輻射光譜和汞蒸氣壓有關(guān),隨著汞蒸氣壓的升高,汞原子輛射線展寬,并部分發(fā)生重疊,共振輻射線完全被吸收而消失,因帶電粒子復(fù)合而產(chǎn)生的連續(xù)輻射愈來愈強。

4病岞診.超高壓汞燈

(1)球形超高壓汞燈球形超高壓汞燈燈管為圓球或橢球形,電極之間的距離很短,以使放電功率集中,從而得到很高的亮度,可以近似看作“點光源”。同時,球形泡殼可承受很高的張應(yīng)力,不易爆炸放電時,電弧處于球形泡殼的中心附近,不致使管壁過熱,呈旋轉(zhuǎn)橢球形并緊緊附著于電極尖端的電極斑上,其形狀、大小和位置比較穩(wěn)定。球形超高壓汞燈結(jié)構(gòu)有交流和直流兩類交流下工作的燈電極和結(jié)構(gòu)形狀是對稱的;直流下陽極尺寸較大,是非對稱的。球型超高壓汞燈中的汞處于非飽和狀態(tài),汞需嚴格定量,多采用鉬箔或鉬筒封接,其結(jié)構(gòu)如圖3.3.13所示。

圖3.3.13 球形超高壓汞燈的結(jié)構(gòu)

      球形超高壓汞燈主要用于投光系統(tǒng)中。例如,紡織中穿線所用的照明器、浮法玻璃生產(chǎn)中的探測器,以及其他一些復(fù)印、圖像投影系統(tǒng)。在我國,將球形汞-氙燈用作機車照明光源,取得了很好的效果。最后需指出,由于這種燈有強烈的紫外輻射,因此必須裝在適當(dāng)?shù)臒艟咧惺褂?以確保安全。

(2)毛細管超高壓汞燈

     毛細管超高壓汞燈因燈管呈毛細管形而得名,其結(jié)構(gòu)如圖3.3.14所示。它是在很高的電場強度下工作而獲得高亮度的光源,燃點時電弧被毛細管限制,是管壁穩(wěn)定型電弧。毛細管燈的工作氣壓為50~200 atm,電場強度為300~1000V·cm1,管壁負載為500~1000W·cm-2。

 

圖3.3.14 毛細管超高壓汞燈的結(jié)構(gòu)

      這時,石英燈管必須用水或壓縮空氣冷卻。按工作時汞蒸氣所處的狀態(tài),毛細管超高氣壓汞燈可分為飽和式和非飽和式兩種。飽和式超高氣壓毛細管汞燈的電極附近存在著大量未蒸發(fā)的汞,汞蒸氣處于飽和狀態(tài),電極尖剛好從液汞面伸出,使放電時電極尖端能達到電子發(fā)射溫度,且不會使電極尖過熱而蒸發(fā),但充汞量需與電極長度相配合,使汞能填滿電極附近的空間,而電極尖又能伸出汞液面。使用時要注意將燈搖動,以免電極過多地暴露在放電空間而造成蒸發(fā),以及電極被汞淹沒而造成啟動困難。飽和式毛細管超高氣壓汞燈的供電功率和冷卻條件必須相配合,如果冷卻過度,燈達不到需要的工作狀態(tài);冷卻太小則會使燈管燒壞或爆炸。非飽和式毛細管超高氣壓汞燈在工作時,汞全部蒸發(fā),工作狀態(tài)比較穩(wěn)定,但

     要嚴格控制汞量。燈的壽命和工作狀態(tài)有關(guān),開關(guān)次數(shù)宜少一些,汞量分布要均勻。由于石英管的工作溫度很高(約為1000℃),內(nèi)外溫差極大,石英玻璃很容易析晶失透并產(chǎn)生裂紋。由于電極濺射和蒸發(fā),會造成管壁發(fā)黑,進一步加劇石英的惡化過程。毛細管汞燈的壽命較短,只有30~100h,燈的損壞往往是由燈管的炸裂造成的。

(3)UHP 燈UHP(ultra high performance)燈是一種超高壓汞燈。普通高壓汞燈的汞蒸氣工作壓強僅為幾個大氣壓,以輻射線光譜為主,而且需要通過熒光粉將紫外輻射轉(zhuǎn)換成可見光,顯色性差,光效低。UHP燈的汞蒸氣工作壓強大于200atm,由于可見光輻射的增強和譜線的展寬,并增加了汞分子連續(xù)譜線的作用,燈的光效和顯色性都有極大的提高。在不同的汞蒸氣壓強下,汞燈的光譜強度分布如圖3.3.15所示。從此圖可以看出,隨著汞蒸氣壓力的提高，譜線峰值下降并展寬,連續(xù)光譜背景增加。當(dāng)汞蒸氣壓力高于200atm時,燈輻射出的大部分光是由分子輻射產(chǎn)生,而不是由原子光譜產(chǎn)生。特別是大于593nm的紅光和壓強密切相關(guān),經(jīng)測定其工作壓強為160atm,比200atm的UHP光源在紅波能量上少了20%,為了顏色的平衡,保證燈內(nèi)超高壓氣體的工作壓強對投影顯示系統(tǒng)來說是必要的。

      UHP燈的結(jié)構(gòu)如圖3.3.16所示,工作壓力200atm,泡殼外直徑約為11mm,放電極間距為1.5mm以內(nèi)。電弧管工作時管壓降為60~90V,管壁最高工作耐受溫度在1100℃附近。為了減少玻殼的熱應(yīng)力、提高玻殼的機械強度,實際的泡殼尺寸都設(shè)計成近似橢球形,再加上必要的圓弧過渡,并采用無排氣口工藝。橢球形的設(shè)計可以降低UHP燈工作時管壁上的最高溫度,減少石英析晶的可能性,提高燈管燃點壽命。選擇的石英材料應(yīng)該沒有氣線和氣泡等缺陷,并使含氫氧的雜質(zhì)少,以提高燈的性能和減少爆炸。

     提高UHP燈的光通維持性能還應(yīng)注意以下方面:

①采用耐高溫的純鎢電極材料。

②注意電極的處理工藝,特別是電極頭部的處理工藝。

③注意燈用所有材料的絕對純度,保證在燈的工作溫度下不再釋放雜質(zhì),為此需要良好的工藝設(shè)備。

④注意鹵鎢循環(huán)劑的使用。電極物質(zhì)的逸出是不可避免的,首先應(yīng)是盡量抑制電極物質(zhì)的逸出,然后采用鹵鎢循環(huán)機理清潔泡壁。相應(yīng)的燈用材料也不應(yīng)釋放會破壞鹵鎢循環(huán)的雜質(zhì),如堿土氧化物等

                                                                                                                         

圖3.3.15 100 W1.3 mm UHP 光源在不同充氣壓時的光譜

圖3.3.16 UHP燈的結(jié)構(gòu)示意圖

產(chǎn)品展示

    SSC-HM500-M23均光汞燈光源是專門針對紫外區(qū)的催化實驗、光刻蝕、光催化、光降解、化學(xué)合成的研究級汞燈光源；光源內(nèi)部安裝500W 高壓短弧球形汞燈，在高頻高壓激發(fā)下形成弧光放電，輻射出強而穩(wěn)定的紫外區(qū)強烈光譜，能量密度高，輸出穩(wěn)定，適用于紫外區(qū)的光化學(xué)研究和光電的各種實驗，特別適用于強光催化（如光降解及其他光催化研究）。

  光源可兼容多種規(guī)格、品牌、進口及國產(chǎn)濾光片及透鏡（25.4mm，50.8mm，,M52，M62等），常用濾光片規(guī)格(紫外帶通濾光片）：254nm，313nm，334nm，350nm，365nm，380nm，400nm，405nm。鑫視科可以提供各種規(guī)格石英濾光片、反光片、K9光學(xué)濾光片等。