高压钠灯的工作原理

     高压钠灯(high pressure sodium lamp,HPS)是利用高气压钠蒸气放电来发光的,其研制成功是因为人们制造出了适合作为高压钠灯电弧管的多晶氧化铝陶瓷材料,这种材料是半透明的并能承受高温下钠的侵蚀。如图3.3.3所示,低气压的钠蒸气放电,有近85%的辐射能量集中于近乎单色光的双D线。但如果提高放电管内的钠蒸气压的话,钠的特征谱线会有强烈的自吸收,并逐步自反转。在高气压的钠蒸气放电中,当放电管内钠蒸气的压力升高到7000Pa左右时,谐振谱线D线就大大地增宽了,基本上覆盖了可见光谱的主要部分。D线的中心部位由于自吸收受到了很强的抑制,出现了在原来D线位置处的暗区隔开的两个峰位,称为自反转的现象。此时,辐射效率再次上升到极大值,光谱的增宽使放电的颜色变白,亦即灯的显色性得到了明显的改善。

图3.3.3 不同气压的钠蒸气放电光谱分布

     高压钠灯的放电正柱区是中心温度约4000K的等离子体,管壁温度约为1000K。灯的大部分辐射产生在炽热的中心区域,而大部分自吸收则发生在外层区域,于是形成了光谱中的两个特征峰值。在高压钠灯中,约有40%的总辐射能量在增宽的D线区域,连同其他谱线的辐射,约有40%的总辐射能量在可见光区域。典型的400W高压钠灯的能量平衡如下:可见光辐射100W、红外线谱和红外连续谱100W、电极损耗20W正柱区的非辐射损耗180W(紫外区域的辐射可忽略)。特别应注意的是,约有60W处在800~2500nm波长区域的红外连续谱辐射。在568nm处有10W左右的辐射能量,这一点也很重要,因为这个

     波长紧靠人眼最灵敏的波长处。在几乎所有高压钠灯中,除了含有钠以外都含有汞和氙。氙气(在室温下气压约3000Pa)主要起启动气体的作用。虽然或氖混合气比氙更容易启动,但是氙气的热导小,所以能使灯有更高的光效。在工作稳定的高压钠灯中,电弧管的温度最低处填充物质会凝聚成钠汞齐,一般是在单个或两个电极的后面,称为“冷端”。为了在电弧里能维持所需的蒸气密度,就需较多的汞齐,以便使钠和汞的蒸气压和冷端的汞齐处在平衡状态。由于冷端温度和汞齐的组成成分对灯的电参量、光输出和光效影响很大,因此对灯的这两个设计变量的值,应严格地加以选择,并控制在很小的容差范围内。在灯的寿命期间,汞齐的温度和成分的任何明显的变化,都会引起高压钠灯所有工作特性的变化,如过高的灯管电压会导致灯的工作不稳定。典型的参考数据是高压钠灯在正常工作时,灯内的钠和汞的蒸气压分别是7000Pa和60000Pa。当灯关掉后,电弧中的钠和汞蒸气凝结在电弧管较冷的表面上。通常在电极上或在电极的后面,电弧空间只留下氙气。

     在高压钠灯稳定电弧中有汞蒸气的存在,起到缓冲气体的作用。缓冲气体能提高灯的光效是由于:

① 减少了由于热传导以及电子和离子单纯向外扩散损失这两个原因造成的功率损耗这样由于电弧中心温度的提高,就允许辐射功率增大。

② 和相同电弧电压下的纯钠电弧相比,由于电弧电场增宽,于是电弧长度减短,亦即允许增加单位体积中的功率,也就增加了电弧温度和辐射功率。因此,人们能制造出较紧凑的高压钠灯,从而能节约材料和降低制造成本。

虽然汞和氙在高压钠灯中都起着相当重要的作用,但两者在灯辐射的可见光谱中都不贡献任何显著谱线,其原因是这两种元素的激发电位都比钠高;它们在可见光区域的作用只是改变发射D线的形状。如果提高充入灯内氙气的气压,就可以改善高压钠灯的光效,但缺点是启动较困难,并增加制灯成本。

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