第八章金卤灯..ppt

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1、光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 第八章第八章 金属卤化物灯金属卤化物灯Metal Halide Lamp8.1 金卤灯的基本原理金卤灯的基本原理光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 一一.灯的基本结构与工作原理灯的基本结构与工作原理1.外观外观 与与HPM基本相似基本相似2.填充物填充物Ar(Ar+Ne)几十托几十托 启动气体启动气体Hg 几个几个atm 缓冲气体缓冲气体MXn 几百帕几百帕 发光物质发光物质 几千帕几千帕3.启动过程启动过程光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 4.输出光谱输出光谱

2、稳定下稳定下 PHg/PMXn=100P=nh/P=n0 h e-eVex/KT又又n=n0 e-eVex/KTgg0gg0/=CP0 e-eVex/KT=CP0 e-11600Vex/TPM=CMPM e-11600VexM/TPHg=CHgPHg e-11600VexHg/T光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 CMCHg比起指数项要小很多比起指数项要小很多 令令 =1 PMPHge11600(VexHg-VexM)/T=PMPHg=PMPHge10=2.2104 =220PMPHg虽然主气压贡献是虽然主气压贡献是Hg，但谱线，但谱线主要贡献是金属主要贡献是金

3、属M。CMCHg光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 讨论：讨论：1.光谱输出以添加金属的特征光谱为主光谱输出以添加金属的特征光谱为主2.添加特征光谱为红色区的金属可提高添加特征光谱为红色区的金属可提高Ra3.添加总辐射能量中添加总辐射能量中50%在可见区的金属，在可见区的金属，可达到高可达到高的效果的效果=100 Ra65光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 二二.有效利用金属添加剂的条件有效利用金属添加剂的条件Tw=1000K P100Pa金属金属 Sr Mg Zn Cd Cs后发现后发现PMXn(Tw=1000K)100Pa一般

4、都用碘化物，少量用溴化物一般都用碘化物，少量用溴化物光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 1.管壁温度下，有一定的蒸气压（管壁温度下，有一定的蒸气压（P100Pa）有碘化物，少量溴化物满足有碘化物，少量溴化物满足2.Tw下稳定，下稳定，T0区域分解区域分解MXnM+nXT0TwT2500K下，碘化物和少量溴化物分解下，碘化物和少量溴化物分解T1000K下，碘化物和少量溴化物稳定下，碘化物和少量溴化物稳定3.Tamb卤化物的蒸气压尽量低卤化物的蒸气压尽量低 MXn负电性负电性光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 三三.金属卤化物添加剂的

5、种类金属卤化物添加剂的种类铍砷硒铍砷硒 剧毒剧毒铜银金铜银金 Tw不太稳定不太稳定钙锶钡极少量稀土金属钙锶钡极少量稀土金属 Tw下下P偏低偏低硼铝硼铝 Tamb下下P太高太高 启动电压高启动电压高每二种：有每二种：有1225类类每三种：有每三种：有19600类类每四种：有每四种：有230300类类除去除去50余种金属余种金属卤化物可用卤化物可用光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 1.按光谱特性要求按光谱特性要求a)In 兰光兰光 410.1和和451.1nmb)Tl 绿光绿光 535nmc)Na 黄光黄光 589.3nmd)Li 红光红光 670.7nme)Ga

6、 紫光紫光 403.2/417.2/358.9nmf)Sc Dy Tn 大量线光谱在可见区大量线光谱在可见区彩色彩色金卤灯金卤灯光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 2.按照明要求按照明要求a)发射特征光谱的若干金属卤化物的组合发射特征光谱的若干金属卤化物的组合Na-Te-In lampb)发射大量密集线光谱的卤化物发射大量密集线光谱的卤化物Dy灯灯Osram Sc-Na灯灯GEc)分子发光（卤化锡，卤化铝），启动电压高分子发光（卤化锡，卤化铝），启动电压高e)超高压卤化物蒸气（超高压铟灯）超高压卤化物蒸气（超高压铟灯）光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属

7、卤化物灯 诸定昌诸定昌 四四.金属碘化物对电弧的影响金属碘化物对电弧的影响1.电弧的收缩现象电弧的收缩现象添加发射密集线光谱的金属碘化物易造成添加发射密集线光谱的金属碘化物易造成产生原因：产生原因：Vex0.585 管壁稳定型管壁稳定型Vex/ViPMXnVl主要决定于主要决定于larc与与PHg3.降低启动电压降低启动电压a.Penning Effect光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 b.降低自由碘的蒸气压降低自由碘的蒸气压Hg+2I=HgI2I+eI-HgI2+eHgI-例：例：PI2(Tamb)=0.4torr=53Pa PHgI2(Tamb)=210

8、-5torr=2.710-3Pac.充充Hg，启动时为低气压，启动时为低气压光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 一一.放电管几何形状的要求放电管几何形状的要求1.高的冷端温度（高的冷端温度（725750oC）措施措施管端呈锥形管端呈锥形涂保温层（涂保温层（ZiO2,Al2O3）加外壳加外壳双端双端抽真空抽真空单端单端充充1/2atmN28.2 金卤灯的特有问题金卤灯的特有问题光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 2.恰当的管壁温度分布恰当的管壁温度分布充入量较多，液态分布面越高，辐射越强充入量较多，液态分布面越高，辐射越强3.恰当的

9、恰当的larc/d比值比值通常通常larc/d（4 5）：）：1（防止辐射的分层现象）（防止辐射的分层现象）例：例：ThI4(重重)P中等中等 下部辐射强下部辐射强 ScI3,NaI(轻轻)P低低 上部辐射强上部辐射强 TlI3(与与Hg相近相近)P高高 均匀均匀光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 4.电极压封处有尽可能小的缝隙和端部电极压封处有尽可能小的缝隙和端部二二.电极结构与电极结构与HPM相似相似所用材料既要有好的发射性能，又不能所用材料既要有好的发射性能，又不能与与MXn有化学反应。有化学反应。1.HMP的电极不能用于的电极不能用于MH灯灯BaO+I2

10、 BaI2+O 加快电极损耗加快电极损耗BaI2 Ba+I2 I2继续与继续与BaO反应反应W+O WO3 易蒸发，管壁发黑易蒸发，管壁发黑光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 2.金卤灯常用电极金卤灯常用电极a）钍钨电极（不与）钍钨电极（不与MXn有明显的反应）有明显的反应）逸出功逸出功2.6eV，用于，用于Sc-Na MH systemb）稀土氧化物电极（不能用于）稀土氧化物电极（不能用于Sc-Na灯）灯）emitter:Dy2O3,Y2O3 逸出功逸出功:2.2 2.4eVc）纯钨电极）纯钨电极 逸出功逸出功4.5eV 2KW以上以上MH灯用灯用T电电=25

11、00Kd）ThO2电子粉电子粉 发射性能最好发射性能最好光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 三三.金卤灯的启动问题金卤灯的启动问题1.室温下气相卤素原子和卤化物的存在使室温下气相卤素原子和卤化物的存在使 启动电压较启动电压较HPM和和HPS要高要高2.工艺流程中引入的氢使启动电压升高工艺流程中引入的氢使启动电压升高氢的危害：氢的危害：H2+Hg*2H+Hg 破坏破坏e+Hg*2e+Hg+H2+Ar*2H+Hg 破坏破坏Penning effect HIH+I,I+eI-启动电压上升启动电压上升光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 H

12、2的来源：电极烧氢工艺（电极内部有的来源：电极烧氢工艺（电极内部有H2）O-H火焰压封火焰压封 卤化物的吸潮卤化物的吸潮 灯用材料的灯用材料的OH-的含量的含量3.电极冷却过快而吸附碘化物，电极冷却过快而吸附碘化物，使功函数值上升使功函数值上升光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 4.解决的途径解决的途径a）碘化物在）碘化物在Tamb下下P最小，尽量用最小，尽量用MIxb）尽量控制）尽量控制HgI2的形成的形成 PHgI2(Tamb)=210-5torr方法：充过量的金属方法：充过量的金属 充单碘化物充单碘化物杂质：杂质：Al2O3+IAlI3+O光源原理与设计光

13、源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 c）严格工艺）严格工艺电极采用真空高烧处理电极采用真空高烧处理药丸填充过程中控制药丸填充过程中控制H2O和和O的气氛的气氛 H2O,O1ppm外泡壳内装吸氢消气剂外泡壳内装吸氢消气剂采用液化气，煤气和采用液化气，煤气和plasma火焰火焰采用采用Vrei(汞钠汞钠)2.金卤灯的金卤灯的Vrei随管壁温度上升而变化随管壁温度上升而变化光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 Tw=2000C下达最大值下达最大值TwTg I=0时，形成慢电子被吸附时，形成慢电子被吸附Tw=200oC PHgI2此时最大（此时最大（8to

14、rr）形成负离子量达峰值形成负离子量达峰值Tw200oC 一方面：一方面：HgI2全部气化，不可能再增加全部气化，不可能再增加 另一方面：体现高气压放电特性另一方面：体现高气压放电特性光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 3.电极的发射性能的下降是造成电极的发射性能的下降是造成 Vrei升高的主要原因升高的主要原因4.Vrei与污染源种类有关与污染源种类有关5.Vrei与镇流器的电流输出波形有关与镇流器的电流输出波形有关text光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 五五.有辅助电极下的电解现象有辅助电极下的电解现象当辅助电极处于正电位

15、，吸收电子流当辅助电极处于正电位，吸收电子流Ie当辅助电极处于负电位，吸收电子流当辅助电极处于负电位，吸收电子流IiIe与与Ii不等不等+-由于辅助电极在上下半周期收集由于辅助电极在上下半周期收集电子流和离子流的明显不同，造电子流和离子流的明显不同，造成辅助电极相对相邻主电极有平成辅助电极相对相邻主电极有平均为均为 60V的负电位，碱金属离子的负电位，碱金属离子迁向辅助电极的钼箔上，引起膨迁向辅助电极的钼箔上，引起膨胀系数升高，导致爆斑开裂。胀系数升高，导致爆斑开裂。光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 解决方法：解决方法：a）加双金属片，冷时弹开，加热时）加双金

16、属片，冷时弹开，加热时 将两电极导通将两电极导通b）加二极管（实际不采用）加二极管（实际不采用）（缺：启动时必须为正半周期，温度高（缺：启动时必须为正半周期，温度高 不利于半导体工作）不利于半导体工作）c）辅助电极位于燃点位置上方）辅助电极位于燃点位置上方光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 六六.金属的损失过程金属的损失过程1.单端灯的钠损失过程单端灯的钠损失过程产生原因：发自支架的光电子在管壁形成产生原因：发自支架的光电子在管壁形成的负电场拉出的负电场拉出Na+造成电弧管内造成电弧管内I的过量。的过量。解决方法：解决方法：1.采用无支撑架结构，或支架远离采用无

17、支撑架结构，或支架远离 放电管。放电管。2.外壳内充外壳内充0.5atmN2（防止跳电，不充（防止跳电，不充Ar）光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 2.其他金属的损失其他金属的损失a）quartz内各种金属离子的溶解度导致内各种金属离子的溶解度导致 拉出管外拉出管外b）光离解使金属与石英反应而损失）光离解使金属与石英反应而损失光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 一一.Why ceramic Metal Halide Lamp can develop1).Drawbacks of Quartz Metal Halide Lamp1

18、.Limit for Efficacy-Vapor pressure Vs Arc to temperature2.Rather poor maintenance 3.Color shift during life4.Color spread among Individual Lamp5.High Ignition Voltage Changing during life6.Other(eg.explosion at end of life)8.3 陶瓷金卤灯2).高高Ra值光源的照明效果值光源的照明效果光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 3).市场的需求：长寿

19、命，高市场的需求：长寿命，高Ra，高稳定性，高稳定性These drawbacks are mostly brought by chemical reaction of quartz and metal halide at high temperature,such as Na diffusion intoquartz tube,chemical reaction of rare earth metal(Sc)and quartz.二二.结构结构Racolor spread光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯

20、诸定昌诸定昌 三三.工艺关键工艺关键1.用稀土氧化物代替用稀土氧化物代替MgOMgO+MI2MgI2+MO22.稀土氧化物玻璃焊料稀土氧化物玻璃焊料光源原理与设计光源原理与设计金属卤化物灯金属卤化物灯 诸定昌诸定昌 1.为什么金卤灯中的卤化物大都采用金属的碘化为什么金卤灯中的卤化物大都采用金属的碘化 物？物？2.金卤灯的电场强度主要决定于什么因素？灯的金卤灯的电场强度主要决定于什么因素？灯的 光谱输出主要决定于哪些元素？为什么？光谱输出主要决定于哪些元素？为什么？3.单端金卤灯为什么采用梨形外泡壳？为什么要单端金卤灯为什么采用梨形外泡壳？为什么要 充充N2？4.什么叫什么叫“电解现象电解现象”？如何克服？如何克服？5.金卤灯填充配方的依据有哪些？举例说明它？金卤灯填充配方的依据有哪些？举例说明它？6.为什么要发展陶瓷金卤灯？为什么要发展陶瓷金卤灯？