1.基本工作原理
(1)添加金屬元素
為了改善高壓汞放電燈的顏色特性,研究者們采用了這樣一個方法:在放電管中加入其他金屬元素,以平衡光譜和提高顏色特性。添加的金屬元素應(yīng)具備以下特性:
①在電弧管壁工作溫度下,該金屬有足夠高的蒸氣壓強(qiáng),使它能對燈的輻射光譜有顯著的貢獻(xiàn)。
②在可見光譜區(qū)域,能形成具有很大振子強(qiáng)度的共振譜線。
③非共振光譜線有接近于基態(tài)的低激發(fā)態(tài),平均激發(fā)態(tài)能量盡可能地比汞光譜線的平均激發(fā)態(tài)能量低。
(2)加入金屬鹵化物
但金屬添加物沒有足夠的蒸氣壓,研究發(fā)現(xiàn),可以在汞蒸氣放電中加人某些金屬鹵化物以提高燈的顯色性,并提高燈的光效。在所有高強(qiáng)度氣體放電光源中,金屬鹵化物(metalhalide，MH)燈具有最好的顯色特性。通過選擇填充劑,就能得到優(yōu)良顯色特性的全光譜(白光)光源,又具有高光效和緊湊的尺寸。由于其輸出光譜線可以通過添加元素來控制,不僅推動普通照明的白色光源的發(fā)展,還促進(jìn)了用于電影業(yè)的日光色光源、用于印刷以及紫外醫(yī)療的紫外光源等的發(fā)展。技術(shù)的通用性使得光源從幾十瓦發(fā)展到數(shù)千瓦,尺寸從幾個毫米的緊湊型發(fā)展到數(shù)十厘米的長度。根據(jù)不同應(yīng)用場合的需要,這些光源可用各種結(jié)構(gòu)形式封裝,可以有或沒有外殼,可為單端或雙端插頭。
當(dāng)金屬鹵化物燈最初點燃的時候,隨著電弧管壁溫度的升高,鹵化物開始熔化并蒸發(fā)通過擴(kuò)散和對流作用,鹵化物蒸氣被輸運(yùn)到電弧管的高溫區(qū)域。電弧的高溫使鹵化物分解成鹵素原子和金屬原子。在高溫電弧核心,金屬原子受激產(chǎn)生本征光譜輻射。金屬原子繼續(xù)擴(kuò)散,經(jīng)過電弧空間并在較冷的電弧管壁區(qū)域與鹵素重新復(fù)合生成鹵化物。這個循環(huán)過程是非常重要的,可以避免堿金屬對電弧管壁的侵蝕。能促進(jìn)上述循環(huán)作用的金屬鹵化物的特性歸納如下:
①通常在1000K時,它們的蒸氣壓強(qiáng)大于133Pa,這對產(chǎn)生有效輻射來說已經(jīng)足夠高了。
② 在電弧管壁溫度下,鹵化物是穩(wěn)定的,除了氟化物以外,都不會與石英玻璃發(fā)生明顯的化學(xué)作用。
③在電弧中心的高溫區(qū)域(4000~6000K),鹵化物分子分解,自由金屬原子輻射特性譜線,在弧中心的金屬原子壓強(qiáng)與壁上鹵化物壓強(qiáng)一致。
在周期表上的所有金屬的碘化物都滿足上述這些標(biāo)準(zhǔn)。考慮進(jìn)一步選擇標(biāo)準(zhǔn)后,大約有50種金屬碘化物被用作添加劑。因為碘相對溴和來說,更不容易與電極起反應(yīng),所以它是最理想的鹵素。從來不使用氟,因為它會和電極及電弧管材料起反應(yīng)。
盡管添加劑的壓強(qiáng)一般為幾百帕,汞蒸氣的壓強(qiáng)為1~20atm,但添加金屬的平均激發(fā)能大約為4eV,相對于汞的7.8eV要低得多,所以添加金屬光譜的總輻射功率比汞光譜輻射的功率大得多,這都可以用玻爾茲曼定律來論證。相對汞燈而言,添加光譜的作用就是提高顯色性和提高金屬鹵化物燈的光效。
添加物可以分為兩種類型:一種可使電弧收縮(如稀土金屬),它們可導(dǎo)致燈工作不穩(wěn)定:另一種是使電弧擴(kuò)展(如堿金屬元素)。選擇添加劑成分不僅要根據(jù)光譜的改善要求還要確保燈在整個使用壽命期內(nèi)有穩(wěn)定的工作特性。通常,利用兩種類型添加劑的混合,常常能改善燈的工作性能,保持燈的穩(wěn)定性。
金屬鹵化物燈一般被劃分為兩種:一種是主要發(fā)射線光譜的;另一種是發(fā)射連續(xù)光譜的。第一種燈,通常是由燈內(nèi)最普通的添加劑名來命名的:有鈉-鉈-銦碘化物燈、鈉-鈧-釷碘化物燈、鈉-稀土金屬碘化物燈和銫-稀土金屬鹵化物燈;第二類型燈包括:錫燈和錫-鈉鹵化物燈。在這些燈中,除了碘化物外還包含有溴或氯的化合物。溴化錫和氯化錫在高溫狀態(tài)下比碘化物還穩(wěn)定,不易分解,從而確保錫成分的分子輻射達(dá)到最大值,提高燈的光效。當(dāng)填充劑與電弧管壁發(fā)生反應(yīng)(盡管很慢)時,電弧形狀在壽命期間也隨之發(fā)生變化填充劑中金屬成分的反應(yīng)導(dǎo)致自由鹵原子增加,引起電弧收縮。在水平點燃燈中,電弧的查曲最終將變得很明顯。電弧的彎曲使電壓升高(增加了弧長),更致命的是,當(dāng)臨近彎曲電的管壁溫度超過管壁材料的承受極限時,電弧管壁將爆裂,從而使燈過早地?fù)p壞。在垂直點燃燈中,由于自由鹵素原子的堆積,電弧將變得不穩(wěn)定,呈現(xiàn)出與眾不同的明顯的“晃動”,電弧失去管壁穩(wěn)定性特性。
與其他 HID燈一樣,金屬鹵化物燈的啟動分3個基本階段:第一階段是啟動氣體(通常是惰性氣體,如氬氣),從不導(dǎo)電狀態(tài)轉(zhuǎn)變到導(dǎo)電狀態(tài);緊接的階段是冷陰極輝光放電,并加熱電極;最后階段是熱電子電弧放電。一個設(shè)計良好的燈就是要使輝光放電階段盡量短,因為輝光放電會使電極材料發(fā)生濺射,電極材料因濺射覆蓋到電弧管壁上會導(dǎo)致光輸出降低。
與高壓汞燈相比較,金屬鹵化物燈要求燈的啟動電壓高得多。這可以歸因于碘化物,特別是汞和氫碘化物的存在,以及由離解的電子俘獲過程形成的帶負(fù)電的碘離子。這些因素
實際上降低了放電空間的電子可用性,使產(chǎn)生所需的電子雪崩非常困難。
作為一種雜質(zhì)存在于電極中或石英管壁里,或受潮的填充劑中的元素,是非常有害的。就帶外泡殼的燈而論,通常在外泡殼內(nèi)放置消氣劑以減少電弧管中的氫氣壓強(qiáng)(在燈工作溫度下,氫可以透過二氧化硅電弧管壁迅速擴(kuò)散出來)。通常采用的消氣劑材料,如鋯-鋁16、鋯和鐵、鋇或過氧化鋇等。實際上,選擇的消氣劑與外泡殼環(huán)境有關(guān)。
通過點燈電路和燈兩者的綜合改進(jìn),往往可以較好地克服燈的擊穿電壓過高的缺陷電路改進(jìn)包括利用脈沖觸發(fā)器或變壓器,以提供一個比電源網(wǎng)絡(luò)線電壓高得多的峰值電壓為了改善放電空間中的自由電子的利用率,燈中可含有放射性同位素,如“Kr,它作為微量的惰性氣體充入燈中。也可以使用其他的固體同位素,如"Pm。此外,石英電弧管承受紫外輻射會產(chǎn)生光電離現(xiàn)象。只要在燈的外玻殼中裝置一個很小的電容耦合輝光放電管,就能達(dá)到使燈易于啟動的目的,這個輝光放電管是由外部觸發(fā)器啟動的。另一種方法是,采用一個與用在高壓汞燈中一樣的輔助電極裝置。
一旦熱電子放電確立,填充劑中的汞就開始蒸發(fā),金屬鹵化物燈以與高壓汞燈同樣的方式達(dá)到正常的工作狀態(tài)。在獲得整個壽命期間的良好特性方面,陰極的設(shè)計起到重要的作用。如果電極溫度過高,則鎢濺射到電弧管壁上,致使電弧管黑化,從而光輸出減少。同時管壁溫度升高,加速了填充劑與電弧管的反應(yīng)。采用功函數(shù)較低的電極,在較低的電極溫度下能提供所需數(shù)量的電子發(fā)射,因而改善了燈在整個壽命期間的性能。在某些設(shè)計中,通過用釷鎢材料制造電極,可達(dá)到降低功函數(shù)的效果,也有用釷和氧化釷材料來活化燈的電極在用稀土元素為填充劑的金屬鹵化物燈中,電極上加稀土氧化物涂層,也能起到同樣的作用。電極材料或電極活性材料的選擇,應(yīng)取決于使用的碘化物種類。電極材料的一個重要選擇因素,是考慮該材料在燈內(nèi)化學(xué)活性很高的氣氛中工作幾千小時的承受能力。
金屬鹵化物燈的主要不足在于:燈與燈之間內(nèi)在的一致性不同和顏色在壽命期間穩(wěn)定性的改變。隨著電弧管新材料和制燈工藝的發(fā)展,這個不足正在逐步克服。
電弧管冷端溫度決定了蒸氣壓大小、鹵化物混合物氣壓和燈的光色。因此,應(yīng)嚴(yán)格控制冷端溫度,盡可能減少燈之間的結(jié)構(gòu)和充填物質(zhì)的差異,以達(dá)到良好的光色一致性。在燈的壽命期間,其冷端溫度的變化也會影響光色的穩(wěn)定性。電弧管中鎢與包含的雜質(zhì),如氧、氫、水和碳的化合物的反應(yīng)會造成鎢遷移,從面使冷端溫度發(fā)生變化。另外,鹵化物填充與電弧管壁、電極之間的反應(yīng)和鈉損失也會造成顏色不穩(wěn)定。
金屬鹵化物燈中的閃爍通常與燈的燃點位置有關(guān),垂直燃點的閃爍要高。在水平或垂直燃點燈時,能引起閃爍的是電極行為的不對稱所致,這種不對稱性在燈燃點開始時就存在,或在燈整個壽命期問電弧形狀逐步改變所造成。但是,這類閃爍往往可以由改進(jìn)電極的設(shè)計來降到最小程度。在垂直燃點的燈中,出現(xiàn)的情況更為復(fù)雜。通過分離和電泳過程，發(fā)射物在軸向上分布不均勻,從而導(dǎo)致閃爍。遺憾的是,為提高燈光效而選擇鈉元素作為填充劑成分時,其不利影響更顯著。
完全消除可見閃爍的最佳方法是燈的工作頻率高于85Hz。采用電子鎮(zhèn)流器可達(dá)到這一效果。
2.制造技術(shù)
金屬鹵化物燈的一般制造工藝與高壓汞燈相當(dāng)一致,但其使用的鹵化物的特性在制燈工藝技術(shù)上有一定的要求。
許多被使用的鹵化物都易吸濕潮解,因此在充填操作過程中,必須在濕度低于1ppmn的非常干燥和凈化的環(huán)境下進(jìn)行。如果忽略這點,水蒸氣或從吸潮填充劑中釋放出來的氫氣會造成金屬鹵化物燈的擊穿電壓升高,同時使電弧管表面發(fā)黑而降低性能,尤其表現(xiàn)為不良的流明輸出維持率和電弧管吸收更多輻射使其溫度上升。充填的鹵化物混合物必須防止表面沾污所使用的電弧管石英材料必須是比用于高壓汞燈的純度更高的熔融二氧化硅,特別是石英材料中羥基含量必須要小于5ppm,最好達(dá)到1ppm。要達(dá)到達(dá)個純度,必須要求二氧化硅材料在真空里高溫1000℃烘烤40h以上。此外,由于用于一般燈電極涂敷的氧化物發(fā)射層會與鹵素起化學(xué)反應(yīng),因此這類氧化物不能做鈉-鈧燈類型的金屬鹵化物燈的電極,取而代之的是使用釷金屬或釷鎢金屬做電極,以降低電極功函數(shù),從而有助于金屬鹵化物燈的啟動。
金屬鹵化物燈的輻射特性很大程度上依賴于鹵化物的蒸氣壓高低,也就是電弧管的冷端溫度,因而控制電弧管確切的幾何尺寸和允許公差的范圍要比高壓汞燈嚴(yán)格得多。在單端金屬鹵化物燈中,電極燃點的位置是極其重要的,它可以燈頭朝上或燈頭朝下的方式加以燃點。電弧相對位置的改變會引起冷端位置和溫度分布的改變,從而導(dǎo)致燈在兩個方位燃點時有明顯的光色差異。同樣,軸向電極的燈在水平燃點時,電極相對于電弧管軸的位置對燈的工作性能影響也很大,其原因是由于在電弧管內(nèi),改變了電弧核心的同心度,并因而改變了溫度分布輪廓。如果要獲得性能一致的金屬鹵化物燈,其關(guān)鍵是要有優(yōu)良的生產(chǎn)環(huán)境高純度的原材料,以及嚴(yán)格控制電弧管的幾何尺寸和正確的使用方法。
3.金屬鹵化物燈的燈型和應(yīng)用
(1)普通照明用金屬鹵化物燈
常用金屬鹵化物燈的功率是35~400W,燈頭是螺旋型(150W以下是E26/E27,高功率的為E39/E40),電弧管裝在橢球型或管型硬玻璃外殼內(nèi)。
普通照明用的金屬鹵化物燈比特殊用途金屬鹵化物燈的功率負(fù)載要小,因此其壽命較長,可達(dá)到12000~20000h。和高壓汞燈一樣,經(jīng)熒光粉轉(zhuǎn)換部分紫外輻射為可見光是可能的,然而熒光粉層對可見光的吸收使得光效并沒有增加。通常,熒光粉的使用是為了改善光色而非提高光效。因此,為獲得最大光效而設(shè)計的燈選用透明的外泡殼。
為了預(yù)防金屬鹵化物燈在燃點時可能發(fā)生的爆裂,它需放在設(shè)計有熱碎片安全防護(hù)的燈具中。作為例外的是,目前逐漸流行應(yīng)用在家庭照明中的金屬鹵化物燈,其特殊的設(shè)計偉在電弧管爆裂的情況下,仍能保持外泡殼的完整性。這類金屬鹵化物燈的結(jié)構(gòu)是在其電弧管周圍裝有一兩層用二氧化硅材料制成的透明的厚護(hù)套,并且人們還能根據(jù)這護(hù)套的結(jié)識別它們是否適用于開放式燈具中。
金屬鹵化物燈的其他形狀特征,如圖3.3.17所示。特別注意的是,在鈉-鈧燈中應(yīng)用了分離式框架裝配結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)有利于減少光電流,否則,貫穿電弧管壁的電蝕將引起鈉的損失,最后導(dǎo)致電弧管損壞;觸發(fā)極電路中的熱開關(guān)是用來消除啟動器和主電極之間的電位差,從而達(dá)到類似的目的。
圖3.3.17 典型金屬鹵化物燈的結(jié)構(gòu)(單位:mm)
在商業(yè)用燈上有3種主要的填充劑系統(tǒng):鈉-鈧、鈉-鉈-銦和稀土元素(通常以鏑為基礎(chǔ)再添加如鉈、鈥、銫、銩等)。這些填充物類型的典型性能比較,見表 3.3.3。
表3.3.3 各種金屬鹵化物燈的性能比較
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填充物類型 |
光效/（lm?W-1） |
顯示指數(shù)R0 |
相關(guān)色溫/K |
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鈉-鈧 |
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簡單電弧管設(shè)計 |
80-90 |
70-80 |
3600-4200 |
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改進(jìn)電弧管設(shè)計 |
100-110 |
70-75 |
3800-4500 |
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鈉-銦-鉈 |
70-80 |
70-75 |
3800-4200 |
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稀土 |
75-80 |
80-95 |
3800-5600 |
鈉-鈧系統(tǒng)具有最高光效,但這是以犧牲顯色指數(shù)(燈中即使用熒光粉涂層,其顯色指數(shù)R。也不高于70)和流明維持特性(鈉-鈧系統(tǒng)比別的系統(tǒng)差)為代價而獲得的。
一些制造廠商通過在鈉-鈧燈中采用異形電弧管來使光效達(dá)到極大值。這類燈是為橫點或豎點工作而設(shè)計的。用在這些燈中的異形電弧管有助于在整個電弧長度內(nèi)保持電弧與電弧管壁之間的距離,從而提高溫度的均勻性,并改善燈的性能。水平工作的金屬鹵化物燈對旋轉(zhuǎn)定位有進(jìn)一步的限制并應(yīng)用特制的燈頭或燈座,以提供正確的方位，(2)寬廣區(qū)域的泛光照明
在這方面應(yīng)用的金屬鹵化物燈一般分成3大類:管形或球形燈、管狀燈和短弧燈。管形或橢球形燈可以考慮為管用使用型燈的系列擴(kuò)展,它具有較長的壽命、對燈具和控制裝置的要求簡便等優(yōu)點。其配置燈具趨向于大體形以能容納電弧燈管,但由于缺乏控光裝置及高位上的抗風(fēng)能力,因此往往限制了它可能的應(yīng)用范圍。
管狀燈主要適用于泛光照明,它采用精確的光控系統(tǒng),在這個系統(tǒng)中燈成為燈具的一個整體的部分。填充劑組合成分既可選用鈉-鈧,它可給出高光效但顯色性受到限制;也可以
選用稀土元素,這樣燈的光效較低但顯色性有較大提高。這種管狀燈有200mm的弧隙長度,而且通常沒有外泡殼。它們必須保持水平工作狀態(tài),以避免燈內(nèi)填充劑沿著電弧路徑形成軸向分離。燈具本身就是燈的外泡殼,從而為電弧管提供了一個適宜的熱環(huán)境。這種燈較易調(diào)節(jié)到反射器的焦點位置上,這樣就能精確地控制光束。在設(shè)計和生產(chǎn)上要控制反射器的緊貼程度,以防止工作時在其表面產(chǎn)生光電流,這種光電流會使填充劑透過電弧管壁擴(kuò)散,導(dǎo)致燈提前損壞。由于長電弧管內(nèi)填充劑的分離將引起燈發(fā)光顏色的變化,我們可以用砂的外表面,使色變效應(yīng)減至最小。雙端電弧管結(jié)構(gòu)有助于熱再啟動性能,即達(dá)到瞬時啟動,但必須配用30~50kV的高觸發(fā)電壓才能予以實現(xiàn)。這種設(shè)計的缺點是燈在工作時其封接部位將暴露于空氣中,因此,我們必須嚴(yán)格控制燈的工作溫度,以避免和防止燈封接部位元件的氧化。
短弧型燈在縮小尺寸和光控方面能達(dá)到極限,這在利用一個透鏡或反射鏡的光學(xué)系統(tǒng)中是非常有用的。在20世紀(jì)60年代中后期,由于彩色電視轉(zhuǎn)播對照明的要求,從而導(dǎo)致廣泛地開始采用這類短弧金屬鹵化物燈。短弧長僅為10~15mm,高電場和高負(fù)載功率使得燈有高的電弧亮度,而且提高了燈的光效和顯色性。無論是單端還是雙端短弧型燈都可應(yīng)用于拋物面鋁反射器(paraboloid aluminium reflector,PAR)PAR64 型中,且具有熱再啟動性能。單端燈工作時,填充劑完全處于蒸氣狀態(tài)。對于低色溫?zé)艨墒褂面?鉈-鈉填充劑,而對5500K的高色溫?zé)?填充劑可用錫-鋼。這兩種類型燈的發(fā)射光譜都是密集線的組合,在整個可見光區(qū)域連續(xù)分布,這使得顯色指數(shù)R大于80。鎵-鉈-鈉燈的紫外輻射比例較大(輸人功率的 4%),對等光強(qiáng)度其紫外含量與太陽輻射相同。這種性質(zhì)與同樣比例的紅外輻射一起,使得這些燈被廣泛地用于太陽模擬器。
將單端燈電弧管封裝在PAR密封反射器中可延長其使用壽命,同時反射器也能過濾掉有害的紫外輻射。
雙端燈是用稀土鏑-銩-鈥系統(tǒng)作為填充劑,而發(fā)出與太陽光類似的光譜。這些填充劑的連續(xù)譜輻射有助于獲得嚴(yán)格的顏色控制,并提供高顯色指數(shù)(R>90)。在這類燈中,橢球形電弧腔體裝配在用兩個長的鉬箔封接的管腳之間,這種結(jié)構(gòu)有利于減少燈密封處金屬元件的氧化,并同時能維持電弧管壁必要的高溫。雖然如此的結(jié)構(gòu)設(shè)計可使燈在工作時,其密封處溫度較低,但對超過燈長度的兩端電接觸的要求,就意味著對燈具和反射器的設(shè)計和尺寸要做某種犧牲。然而,最近在德國已經(jīng)出現(xiàn)和發(fā)展了更緊湊的燈型。(3)舞臺、演播室及娛樂場照明
滿足這些地方使用要求的燈的特性是緊湊性、高亮度、高色溫、良好的顯色性,以及在燈調(diào)暗時能保持相對穩(wěn)定的色溫。這些特性在前面提到的短弧型燈中都可容易地達(dá)到,單端型和雙端型也都可用。
使用錫或稀土元素的填充劑系統(tǒng)都可獲得高色溫。在單端錫-銦燈中,錫鹵化物填充劑有相對較低的熔點和高的蒸氣壓,將導(dǎo)致發(fā)射光譜對功率消耗不敏感。這意味著,發(fā)射光譜并不隨電源電壓的波動而改變。測量數(shù)據(jù)顯示,直到功率降低到正常值的50%,這類燈的溫仍能保持相對穩(wěn)定。
稀土雙端燈現(xiàn)在也可以生產(chǎn)成單端燈形式,這類燈也可提供以下特性:偏移小的色控制范圍((5600士400)K)、高的光效和高的電弧亮度,以及功率降低到50%正常值時色溫恒定。由于燈內(nèi)選用稀土元素填充劑系統(tǒng),能使燈產(chǎn)生高度連續(xù)的光譜輻射,從而能保證燈在相當(dāng)大的范圍內(nèi)維持良好的顯色性。在這類燈中,雙端電弧管垂直地安裝于單燈頭的硬玻璃外泡殼之中,在燈底座為G22型號的雙插頭時,工作于冷啟動方式,啟動電壓需要大于9kV的脈沖高壓;而在燈底座為C38型號的雙插頭時,往往工作于能熱啟動方式,這情況下需要30kV的脈沖啟動高壓。
在娛樂業(yè)和社交場所(如迪斯科舞場),對低功率(150~500W)的金屬鹵化物裸泡產(chǎn)品已形成一定批量的需求,人們對它的光度特性要求較低,但要其仍能保持緊湊光源的優(yōu)點。
當(dāng)短弧型金屬鹵化物燈與精密光學(xué)系統(tǒng)配用時,這種燈內(nèi)填充的發(fā)光材料由于分子量的不同導(dǎo)致的分層問題很突出,它能通過兩種方式顯現(xiàn)出來:電弧管中發(fā)光材料分層導(dǎo)致電弧在不同位置的顏色出現(xiàn)不同;或者發(fā)光材料在電弧管壁上凝結(jié),形成陰影效果。借助于光學(xué)系統(tǒng)的細(xì)致設(shè)計,上述問題可以被控制在最小范圍。一般來說,為了獲得均勻的混合光束,我們可采用拋物面的反光器;而要求獲得發(fā)散光束,就需要利用一些有刻度加工或表面紋理的反光面。對窄光束反光器,其表面也應(yīng)當(dāng)有些刻度或表面紋理。用于各種類型的舞臺、演播室及娛樂場所的照明用燈,如表 3.3.4所示
表 3.3.4 用于舞臺、演播室的金屬鹵化物燈
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用途 |
充填物 |
外形 |
功率范圍/W |
光效/（lm?W-1） |
色溫/K |
顯示指數(shù) |
可調(diào)光 |
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舞臺、演播室 |
鈉鉈鎵 |
裸電弧管、單端 |
400-1000 |
80-90 |
4000 |
85 |
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錫銦 |
裸電弧管、單端 |
200-2500 |
70-80 |
5500 |
85 |
可 |
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稀土 |
外泡殼、單端 |
575-6000 |
85-95 |
5600 |
>90 |
可 |
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稀土 |
裸電弧管、雙端 |
200-18000 |
70-105 |
5600-6000 |
>90 |
可 |
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舞廳 |
錫鈉鉈 |
裸電弧管、單端 |
150 |
75 |
5000-5600 |
80/85 |
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錫銦 |
裸電弧管、單端 |
400 |
70 |
5400 |
85 |
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稀土 |
裸電弧管、單端 |
150 |
70 |
6900 |
85 |
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(4)小功率金屬鹵化物燈用于展示照明
由于32~150W范圍的小功率緊湊型金屬鹵化物燈的開發(fā)成功,使金屬鹵化物燈的許多新應(yīng)用成為可能。人們將設(shè)計重點放在追求緊湊的和光質(zhì)特別優(yōu)良的小功率金屬鹵化物燈上,甚至不顧及燈僅有6000~8000h的相對而言較短的壽命。為了適應(yīng)用于展示照明市場的小型燈具,已千方百計地將燈的幾何尺寸設(shè)計成允許的最小值。為了生產(chǎn)超緊湊類型的小功率金屬鹵化物燈,它的外泡殼材料必須選用石英玻璃,以使產(chǎn)品能承受高的工作溫度。商業(yè)照明市場已有出售的單端或雙端型小功率金屬鹵化物燈,它們的技術(shù)指標(biāo)符合國際電工委員會文件(IEC1167,1992)的規(guī)定,如圖 3.3.18所示
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圖3.3.18 緊湊型小功率金屬鹵化物燈
雙端燈的電弧管裝在管狀石英外泡殼內(nèi),每端帶有電引線和夾扁密封。電弧管本身是雙端結(jié)構(gòu),圓柱形或橢球形的幾何尺寸被嚴(yán)格控制,以提供一致的燈性能。所有設(shè)計都采用位于電弧管末端的熱反射層,以確保有足夠的鹵化物蒸氣壓,并規(guī)定燈必須在偏離水平面士45°的方位內(nèi)燃點。
單端燈設(shè)計也采用管狀石英外泡殼,但只在單端夾扁密封,燈頭為G12型雙插頭。電弧管既可以是雙端也可以是單端結(jié)構(gòu),短弧隙允許燈燃點在任何方位上。單端電弧管可以是球形或橢球形的,通過設(shè)計可免去末端的熱反射層,還可免去在石英電弧管旁邊的一根旁路電導(dǎo)絲,這樣能限制燈在壽命期間的鈉損失,從而可有效地維持燈特性。
今后幾年隨著制造技術(shù)的發(fā)展,在石英外泡殼材料中添加紫外吸收劑,就能抑制燈的紫外輻射。這些燈的色溫有4個:3000K,3500K,4000K和5200K。光效在70~85 lm·W-之間,顯色指數(shù)通常大于80。下面列舉3種類型的燈內(nèi)填充劑,主要是碘化物,有時也用碘
① 堿金屬(鈉或銫視色溫而定)--稀土金屬和碘化鉈的混合物;化物與溴化物的混和物。②鈉-錫與鉈、鋼混合物,可得到較高色溫(4000K);
③ 鈉-鈧,通常顯色指數(shù)僅為70左右,加上鉈混合物可使顯色指數(shù)達(dá)到 80。
這類燈在高壓鈉燈電感鎮(zhèn)流器下工作,啟動需要附加觸發(fā)高壓脈沖。外泡殼的高溫情況及緊湊尺寸限制了使用輔助啟動的可能,實際應(yīng)用的這類燈往往在充人啟動氬氣中加人極少量的放射性氣體Kr,以保證燈容易啟動。
4.金屬鹵化物燈的最新發(fā)展
(1)陶瓷電弧管的金屬鹵化物燈最近,小功率陳列照明燈的石英電弧管,開始被多晶氧化鋁(PCA)陶瓷電弧管所替代,陶瓷管的主要優(yōu)點在于提高了光色的均勻度及穩(wěn)定性。很早以前就已考慮用多晶氧化鋁材料做金屬鹵化物燈,它不易起化學(xué)反應(yīng),比石英管(950℃)有更高的允許工作溫度(1150℃),可以提高電弧管幾何參數(shù)精度。但它的封接技術(shù)不成熟,阻礙了金屬鹵化物燈更早地采用陶瓷電弧管。用于高壓鈉燈的常規(guī)鈮引人線與玻璃料的封接,以及1982年開發(fā)的金屬陶瓷封接工藝,都不具備充分的抗化學(xué)腐蝕的特性。
陶瓷電弧管的金屬鹵化物燈顏色一致性的改善,其原因之一是能嚴(yán)格控制電弧管的幾何尺寸,另一原因是可提高電弧管管壁的工作溫度。在管壁溫度很高的情況下,對某些金屬鹵化物充填劑,在其相關(guān)色溫與管壁溫度曲線上可觀察到極小值。然而對熔融石英電弧管，這個區(qū)域出現(xiàn)在石英能承受的合理工作溫度之上,至于陶瓷電弧管則完全能適應(yīng)在這一相應(yīng)色溫極小值區(qū)域工作。當(dāng)燈中填充劑為鈉與稀土鹵化物時,更高的工作溫度能使燈具有優(yōu)良的顯色性(R>80),并提高了光效(大于90lm·W)。多晶氧化鋁結(jié)構(gòu)的另一個主要優(yōu)點是在壽命期間,燈內(nèi)鈉金屬損失大大減少,確保光色比傳統(tǒng)的熔融石英電弧管的金屬鹵化物燈產(chǎn)品更穩(wěn)定。
到目前為止,僅有色溫為3000K和功率為35~100W的陶瓷金屬鹵化物燈投入商業(yè)用途。這類燈壽命一般限制在小于10000h,其原因主要是因為管壁受到鹵化物混合物的侵蝕。
圖3.3.19 PAR38型金屬鹵化物反射燈
(2)PAR密封束射型金屬鹵化物燈
金屬鹵化物燈的電弧管與PAR密封束射型反射器的結(jié)合是最近的一種趨勢。功率范圍在70~150的燈通常用在PAR38型中。這些類型燈中的填充物均以鈉-鈧填充劑系統(tǒng)為基礎(chǔ)。結(jié)合陶瓷管的金屬鹵化物燈一般用于35 WPAR 20型和 70 WPAR 2型,以及 PAR 30型中。圖3.3.19顯示的是PAR 38型密封束射型金屬鹵化物燈。
(3)金屬鹵化物燈在光纖和汽車前照燈中的應(yīng)用用在光學(xué)系統(tǒng)(如光導(dǎo)纖維系統(tǒng))或汽車前照燈氣體放電燈
系統(tǒng)中的燈,最基本的要求就是光源兒何尺寸小,亮度高。20世紀(jì)80年代,有精確尺寸的低動率小型石英金屬鹵化物燈在設(shè)計和生產(chǎn)兩方面都獲得了突破。特別是,現(xiàn)已經(jīng)產(chǎn)生出功惠為20-60W、弧為2~4mm,光效為70~90lm·w一的燈。
對這些燈的一個特別要求(尤其是汽車前照燈),則是必須能瞬時發(fā)光。這既可用充人幾個大氣壓的高壓氙氣作為啟動氣體來達(dá)到這一目的,也可通過應(yīng)用電子鎮(zhèn)流器,使得很快加熱燈,并讓燈進(jìn)人到穩(wěn)定工作狀態(tài)。此時,燈輻射的大部分光來自燈內(nèi)鹵化物填充劑。燈內(nèi)充人氙氣的技術(shù),也有助于這些器件的瞬時熱再啟動性能。
對于光導(dǎo)纖維光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用情況,運(yùn)用一個60W的充氙金屬鹵化物燈,將燈永久性地封裝在一個緊湊的匹配反射器之中,然后將此燈以35Im·w一的效率轉(zhuǎn)換得到的光傳遞到一個12mm的孔徑中。只要我們在電弧管前裝置紫外光過濾器,就可有效地避免光導(dǎo)纖維受紫外線輻照的損害。
目前,人們已經(jīng)把這類照明器件商品化,并應(yīng)用到汽車前照燈系統(tǒng)中。由于產(chǎn)品成本問題,它們目前的使用仍限制在豪華型汽車行業(yè)。汽車前照燈應(yīng)用小功率金屬鹵化物燈,有如下超過過去襲用的鹵鎢燈的優(yōu)點，
②通過更多的光輸出和增加光源亮度,使照射可見區(qū)域增大,道路及障礙的視見度提高;
①使利用更小尺寸的汽車前照燈成為可能,從而改善汽車空氣動力學(xué)性能;
③汽車前照燈的功率損耗降低
④由于延長了燈的使用壽命,以及燈的光輸出緩饅衰退,而非突然性損壞,從而改善了交通安全性,同時降低了維護(hù)和保險費(fèi)用。
(4)無極金屬鹵化物燈
在金屬鹵化物燈的壽命期間,引起光衰的主要原因是電極中鎢濺射到電弧管壁。如果放電是由無線電波或微波激發(fā)的,則濺射因素可完全排除。這一領(lǐng)域的最近研究表明,生產(chǎn)帶有高顯色特性的高頻感應(yīng)放電光源,其電弧光效超過200lm·W,而整個系統(tǒng)光效(燈+鎮(zhèn)流器)高于135lm·W一是可以實現(xiàn)的。
顯然在低功率金屬鹵化物燈中,對光色一致性和穩(wěn)定性要求的提高,將驅(qū)使電弧管技術(shù)向使用陶瓷管方向發(fā)展。假如在花費(fèi)成本增加十分有限的條件下,我們能使現(xiàn)存陶瓷技術(shù)繼續(xù)取得明顯提高,可以預(yù)見,不用幾年時間,陶瓷電弧管將逐步替代石英電弧管。尤其是低功率的金屬鹵化物燈目前已呈現(xiàn)勢在必行的發(fā)展趨勢,當(dāng)然這個趨勢還極大地依賴于整個系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu),包括要求設(shè)計特殊的電子鎮(zhèn)流器,以配用這類功率非常低的陶瓷金屬鹵化物燈。在高功率金屬鹵化物燈的應(yīng)用中,陶瓷電弧管的推廣還受到一定的制約。例如,在要求高亮度光源照明的場所,由于多晶氧化鋁陶瓷材料是半透明的,而非全透明,因此石英電弧管的金屬鹵化物燈仍將被人們廣泛采用。
(5)未來趨勢
無極燈的出現(xiàn),使得原來用現(xiàn)有技術(shù)制造的光源難以突破的光源性能,尤其是光源的壽命,能得到極大的改進(jìn)和提高。但為了使無極燈工藝技術(shù)趨向完善,還要克服現(xiàn)存的某些重要障礙。例如,無極燈的電源設(shè)計和制造技術(shù),以及燈、鎮(zhèn)流器和燈具組成的整個照明系統(tǒng)的配合問題。
產(chǎn)品展示
SSC-OPM1000型光輻照計是一款便攜式自動量程的測試儀器。采用專業(yè)的光電探測探頭，選用高精度低功耗數(shù)字芯片，探測器經(jīng)過嚴(yán)格的光譜及角度特性校正，性能穩(wěn)定，適用性強(qiáng)，并采用溫度校正，提高精準(zhǔn)度?？梢杂脕頊y量太陽光（300-1100nm）的輻照度，也可以用于測試太陽光模擬器、模擬日光氙燈，LED光源、氙燈、鹵素?zé)簟紊獾取?/p>
SSC-OPM1000光輻照計特點：
● 光譜及角度特性經(jīng)嚴(yán)格校正
● 數(shù)字液晶顯示結(jié)果，含溫度校正
● 一鍵開關(guān)，自動量程切換
● 數(shù)字輸出接口（可充電）
● 采用鋰電供電
● 測量范圍0-700mW/cm2，300-1100nm
SSC-OPM1000光輻照計包括主機(jī)、探測探頭兩部分，測量結(jié)果直接由7寸觸摸顯示器顯示。便于觀察記錄。
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