金属卤化物灯的光通维持

　　摘　要：金属卤化物灯的光通维持率是金属卤化物灯的重要技术指标之一，随着我国金属卤化物灯在国内、国际市场上的需求不断增长及技术水平的不断提高，金属卤化物灯的光通维持率指标越显重要。本文着重在机理与实践上对其进行较深入的分析研究。

　　关键词：金属卤化物灯、光通量、光通维持率、钪损失、电极。 

　　一 金属卤化物灯光通维持率分析

　　填充不同系列金属卤化物、不同功率、不同设计结构的金属卤化物灯其光通维持率变化曲线有所不同，如大部份金属卤化物灯在灯燃点初期(几小时到一︿二百小时)光通量下降较快，再继续燃点则光通量的下降就比较平稳。但也有一些金属卤化物灯的光通维持率变化曲线与此不同，燃点初期光通量下降速率与后期燃点光通量下降速率基本相近。上述区别主要由于燃点初期与后期的光通量下降原因虽有所相近但也有不同所至。要深入分析金属卤化物灯燃点中的光通量下降原因，需要对灯燃点初期与燃点后期光衰机理分別进行分析，以利为有效提高灯的光通维持率。

　　首先分析燃点初期的光通量下降的机理，如对某一确定的金属卤化物灯的电弧管包括：石英泡壳与电极的尺寸和形状；电极伸出长度；冷端温度(包括保温涂层尺寸及涂层厚度)；填充的金卤丸的配比和剂量，及输入电弧功率等参数确定之后，其光通的变化基本上决定于：1，石英泡壳的光透过率的变化。2，电极发射性能(包括阴极电位降)的变化。3，金属卤化物灯电弧管中发光元素(Na、Sc、Dy、Hg---等等)原子浓度及原子分布状况的变化。

　　由于金属卤化物灯电弧管中原子总辐射强度取决于激发态原子浓度,其表达式如下：

N_k=N₀(g_k/g_o)exp-(eV_k/kT)

    其中N₀即为各种发光元素的原子浓度。V_k为各种发光元素的激发位能。T为各元素原子所处位置温度。由于金属卤化物灯在燃点时电弧管内不同点存在很大的温度差异,图一为35W汽车金属卤化物灯电弧管的等温曲线图。

　图1 35W汽车金属卤化物灯管的等离子体的温度轮廓曲线。电极距离为4.2mm，等温线间隔为250K。

　　由上式可以看出同等数量的发光元素原子在不同等温线区域其发光强度不同。对处于饱和蒸气压状态下的NaI、ScI3等金属卤化物分子浓度是由电弧管冷端温度、在冷端附近附着在石英管壁上的液相金属卤化物表面积(决定于金属卤化物填充量、冷端表面的形状与状态)及其流经液相金属卤化物表面气流速度所决定。由此可见电弧冷端状况会很大程度上影响其原子浓度高低及其分布状态，当然就会影响金属卤化物灯的发光强度。仔细观察燃点中的金属卤化物灯冷端附近液相金属卤化物分布状况不难发现，金属卤化物灯燃点初期的几小时至几十小时内冷端附近液相金属卤化物分布状态变化很大(尤其是Sc-Na系列金属卤化物灯)，因此引起电弧管内原子浓度分布状态变化亦很大,它是引起金属卤化物灯初期光衰较大的主要原因之一。

　　原因之二是钪(镝)的初期损耗，如Sc-Na系列金属卤化物灯燃点时，从局部化学热力学平衡(ＬTＥ)角度分析,电弧管中的ScI₃-NaI蒸气压力可由NaScI₄-NaI熔盐中NaScI₄克分子量所决定。Sc的损耗即是NaScI₄克分子量的减少,自然引起ScI₃、NaI蒸气压的下降而导至发光强度降低，在金属卤化物灯燃点初始ScI₃的分子浓度由填充金属卤化物的钪、钠比及冷端温度所决定，但燃点过程中ScI₃、 NaI分子进行不断的气化-液化循环过程,其中气化温度较高的ScI₃分子会沉积在液态金属卤化物的底层，进而ScI₃分子还会逐步沉积在电极杆底部的石英夹缝中及石英管压封部的沟缝等处，从而引起液态表面的卤化物的钪、钠比的降低，减少了NaScI₄-NaI熔盐中的NaScI₄克分子量，这种逐步沉积过程会从快到慢延续较长时间（几小时至几十小时）。另外钪与灯管石英管壁的化学反应也引起钪损失，其化学反应式如下：

ScI3+SiO2+Hg=>Sc2Si2O7+HgI2

　　APL公司Robert等人利用微观RAMAN探测证实燃点初期就产生Sc2Si2O7而引起钪损失。它是使Sc-Na系列金属卤化物灯燃点初期光通量下降较快的另一主要原因。这种光通量下降过程可在光谱测试中明显看出，图2为Sc-Na灯的光谱能量分布曲线。

     
  
图2 Sc-Na金属卤化物灯光谱能量分布曲线

　　为了比较钪的辐射强度的变化我们选择在它附近没有其它元素辐射的钪线510nm与汞线580nm作为比照对象，一般可认为在燃点期间汞线580nm强度是基本不变，钪线510nm强度下降充份说明气态NaScI4络合分子的降低(钪损失)。我们用一组3只金卤灯分别燃点100、500、1000小时，并测量它们的510nm、580nm光谱相对能量变化的平均值，表一、图3为燃点期间汞、钪谱线强度对比的变化与光通维持率变化对应关系。

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