1.工作原理

      汞蒸气放电的光效随汞蒸气压而改变如图3.3.9所示。在AB段,光效随汞蒸气气压的升高而增加,这是由于随着气压的升高有更的汞原子处于6P态,并被激发到更高的能级,且在更高的能级之间跃迁而发出可见光在BC段中,汞蒸气气压进一步升高,由于汞原子的浓度增大,电子和汞原子的弹性碰撞几率增加。电子通过频繁的弹性碰撞将能量传递给原子,使汞蒸气的温度升高,造成所谓的“体积损耗”,光效下降。到C点以后,气体的温度已经升得足够高,使汞原子产生热电离和热激发。这时,有越来越多的汞原子被激发到较高的能级而发出可见光,所以随气压的升高光效又开始上升。同时,由于管壁附近温度较低,不足以产生热激发和热电离,发光电弧白灯的轴心收缩。汞蒸气气压越高,这一收缩便越明显,被称为电弧的绳化现象。在 DE段,汞蒸气气压为1~5atm,电弧的轴心温度约为5500K,此时汞蒸气放电有较高的光效,也比较容易使灯的电参数与220V市电相配合,因此一般的高压汞灯就是工作在这一区域。在EF段,则是超高气压放电。

图3.3.9 汞蒸气放电的光效与气压的关系

      从高压汞灯启动到趋向稳定的过程中,可以看出汞蒸气压对灯特性的影响。刚开启时灯管两端的电压是很低的,约为20V,同时放电充满灯管,并呈现蓝色。在这个阶段,灯管工作在低气压放电,和荧光灯相类似,在254nm的紫外区域有强辐射。随着灯温度的逐渐升高,愈来愈多的汞被蒸发,汞蒸气压强也随之增大,升高了的汞蒸气压使电弧沿着灯管的轴收缩成狭小的带。随着汞蒸气压的进一步升高,辐射能量逐渐向长波方向的光谱线移动,并有少量的连续光谱辐射,所以放电的光逐渐变白。正常工作时的蒸气压是2~10atm,具体的值视灯的额定功率而定。

2.结构和设计

      最早的汞灯电弧管是由硼硅酸盐玻璃制造的,工作气压仅限于1atm,这种汞灯是现在广泛采用的普通规格高压汞灯的前身。现在,高压汞灯的放电管都是采用熔融石英管制成的,它能允许放电管在高压、高温下工作,从而汞灯的光效得到了提高。放电管可以装在透明的或涂荧光粉的或有反射器的泡壳中,结构如图 3.3.10所示。

图3.3.10 高压汞灯的结构示意图

      目前,照明使用的高压汞灯(highpressure mercuryvapour lamp，HPMV)主要有以下3种类型:

电阻

①HPMV灯。250 W涂荧光粉的高压汞灯的结构,如图3.3.11(a)所示。电弧管发射汞放电典型的带绿的白光和一些紫外光线,但缺少光谱中的红光成分。荧光粉将紫外光线转换为600~700nm的红色光,通常能提高灯的光效。电弧管和荧光粉发出的综合光,能被街道、公路和某些室内的商业照明所接受。②HPMV反射型灯。这是一类将放电管装在抛物面反射泡内的高压汞灯,如图 3.3.11(b)所示。外泡壳内表面涂有精细氧化钛粉末,它对可见光有 95%左右的反射率氧化钛上面有荧光粉涂层,而泡壳的前面部分通常是透明的。反射灯泡的光强角分布表明当灯头在上方点燃时,有90%以上的可见光射向灯平面以下

③ HPMV 钨丝镇流型灯。灯的构造如图3.3.11(c)所示,电弧管上串联了灯丝以限制灯管电流。这种灯丝在设计时就应考虑能维持长的寿命,并在启动时灯丝能承受升高的负载电流。这类灯没有其他附加的限流器,但是它的总光效比用电感镇流器的灯要低得多。

图3.3.11 不同类型的 250 W高压汞灯

3.工作特性

(1)电特性

     高压汞灯镇流器的选择在某种程度上取决于电源电压。英国和欧洲一般采用串接电感的方法,并在电源两端并联电容器,为的是提高功率因数。对低电压供电的地方,如110V通常使用高电抗的变压器。

①启动和稳定过程。当电源开关接通时,辅助电极和邻近的主电极之间产生局部放电,氩气和汞一起能形成潘宁混合气体而有利于启动,其电流值受串联电阻的限制。随着局部辉光放电的逐渐扩大,最后导致主电极之间击穿放电。温度对汞蒸气压的影响比较大一般出现温度降低启动电压升高的情况。

      在灯点燃的初始阶段,是低气压的汞蒸气和氩气放电,这时灯管电压很低,放电电流很大。放电产生的热量使管壁温度上升,汞蒸气压、灯管电压逐渐升高,电弧开始收缩,放电逐步向高气压放电过渡。当汞全部蒸发后,管压开始稳定,成为稳定的高压汞蒸气放电。高压汞灯从启动到正常工作需要 4~10 min 时间,图3.3.12所示为在稳定  过程中灯的特性变化的情况。

② 灯的再启动。高压汞灯工作时,灯内的气压高达几个大气压,如果没有特别的装置高压汞灯一旦熄灭后,就不可能立即重新触发,灯内的蒸气压要经过几分钟的延迟后才能冷却下来,从而可在原来的击穿电压下重新使灯燃点工作。

图3.3.12 高压汞灯的稳定过程特性

③电源电压的变化。因为高压汞灯工作时,灯内的液态汞都蒸发了,所以气压随温度的变化是很小的,同样的灯管电压在电源电压变化时变化也甚小。灯管电流是由镇流器控制的,如果电源电压急剧下降,则先会使电流下降,相应的灯管电压上升,然后灯管电压会高到不能使电路稳定,造成熄弧。

(2)光输出

      典型的高压汞灯消耗的250W能量中只有114W转换成辐射,余下的在电极上和在电弧的非辐射过程中,以及在加热外泡壳的过程中损耗了。对透明的高压汞灯,辐射中含有39W紫外、39W红外、36W可见光。紫外线中仅有约13W的能量能透过玻璃泡壳,其绝大部分是在紫外波段365nm的区域中。在涂荧光粉的灯中,有8W的紫外光被荧光粉转换成可见光,同时约有4W的直接可见光被损失掉,所以总的可见辐射从36W增加到40W更为重要的是,转换成的可见光是汞灯电弧本身发出的光中所缺少的红光辐射。

      透明泡壳灯明显地缺乏红光部分的辐射,显色性能比较差,而涂荧光粉的灯由于涂有目前广泛使用的铕激发的钒酸钇荧光粉,因此可看到它的光谱能量分布有所改善。至于带钨丝自镇流型灯,其光谱能量分布有了进一步的改善,但光效极低。表3.3.2中对这3种类型的高压汞灯做了对比,其中红光比定义为透过红色滤光片的光通量所占的比例。

表 3.3.2 典型的 250 W高压汞灯的光输出和颜色特性

 

型号	光效（100h）/(Im•W-1)	显色指数R0	相关色温/K	红光比/%
				x	y
透明泡壳	52	16	6000	0.315	0.380	1-2
涂荧光粉泡壳	54	48	3800	0.390	0.385	12
钨丝镇流	20	52	3600	0.400	0.385	15

 

    高压录灯的报坏一般是由于电极发射材料耗尽,使电弧不能友。至于雷钨丝自镇流

(3)寿命

      个别的高压录灯,甚至可以点燃几万个小时。但在它点燃2000h之后,灯的流明维型灯,其寿命由于灯丝烧毁而中止。率对涂荧光粉的高压汞灯来说是80%,对带丝自镇流型高压汞灯来说是75%。因为光出逐渐衰退的缘故,大约在高压录灯点燃8000~10000b后,即使灯仍可点燃,也应更换新灯。

      在一些实际应用场合,对光源的亮度有非常高的要求,如投影系统需要高达10°cd·mn以上的亮度。普通高压汞灯的亮度可达10’cd。m-,不能满足上述要求,这时可以采取的方法是牺牲光效来提高亮度,超高压汞灯就是这样一种光源。超高压汞灯通过提高求蒸气压强来增加单位体积中的放电功率,达到提高灯的亮度的目的,其工作气压超讨20 atm。超高气压汞蒸气放电的辐射光谱和汞蒸气压有关,随着汞蒸气压的升高,汞原子辆射线展宽,并部分发生重叠,共振辐射线完全被吸收而消失,因带电粒子复合而产生的连续辐射愈来愈强。

4病岞诊.超高压汞灯

(1)球形超高压汞灯球形超高压汞灯灯管为圆球或椭球形,电极之间的距离很短,以使放电功率集中,从而得到很高的亮度,可以近似看作“点光源”。同时,球形泡壳可承受很高的张应力,不易爆炸放电时,电弧处于球形泡壳的中心附近,不致使管壁过热,呈旋转椭球形并紧紧附着于电极尖端的电极斑上,其形状、大小和位置比较稳定。球形超高压汞灯结构有交流和直流两类交流下工作的灯电极和结构形状是对称的;直流下阳极尺寸较大,是非对称的。球型超高压汞灯中的汞处于非饱和状态,汞需严格定量,多采用钼箔或钼筒封接,其结构如图3.3.13所示。

图3.3.13 球形超高压汞灯的结构

      球形超高压汞灯主要用于投光系统中。例如,纺织中穿线所用的照明器、浮法玻璃生产中的探测器,以及其他一些复印、图像投影系统。在我国,将球形汞-氙灯用作机车照明光源,取得了很好的效果。最后需指出,由于这种灯有强烈的紫外辐射,因此必须装在适当的灯具中使用,以确保安全。

(2)毛细管超高压汞灯

     毛细管超高压汞灯因灯管呈毛细管形而得名,其结构如图3.3.14所示。它是在很高的电场强度下工作而获得高亮度的光源,燃点时电弧被毛细管限制,是管壁稳定型电弧。毛细管灯的工作气压为50~200 atm,电场强度为300~1000V·cm1,管壁负载为500~1000W·cm-2。

 

图3.3.14 毛细管超高压汞灯的结构

      这时,石英灯管必须用水或压缩空气冷却。按工作时汞蒸气所处的状态,毛细管超高气压汞灯可分为饱和式和非饱和式两种。饱和式超高气压毛细管汞灯的电极附近存在着大量未蒸发的汞,汞蒸气处于饱和状态,电极尖刚好从液汞面伸出,使放电时电极尖端能达到电子发射温度,且不会使电极尖过热而蒸发,但充汞量需与电极长度相配合,使汞能填满电极附近的空间,而电极尖又能伸出汞液面。使用时要注意将灯摇动,以免电极过多地暴露在放电空间而造成蒸发,以及电极被汞淹没而造成启动困难。饱和式毛细管超高气压汞灯的供电功率和冷却条件必须相配合,如果冷却过度,灯达不到需要的工作状态;冷却太小则会使灯管烧坏或爆炸。非饱和式毛细管超高气压汞灯在工作时,汞全部蒸发,工作状态比较稳定,但

     要严格控制汞量。灯的寿命和工作状态有关,开关次数宜少一些,汞量分布要均匀。由于石英管的工作温度很高(约为1000℃),内外温差极大,石英玻璃很容易析晶失透并产生裂纹。由于电极溅射和蒸发,会造成管壁发黑,进一步加剧石英的恶化过程。毛细管汞灯的寿命较短,只有30~100h,灯的损坏往往是由灯管的炸裂造成的。

(3)UHP 灯UHP(ultra high performance)灯是一种超高压汞灯。普通高压汞灯的汞蒸气工作压强仅为几个大气压,以辐射线光谱为主,而且需要通过荧光粉将紫外辐射转换成可见光,显色性差,光效低。UHP灯的汞蒸气工作压强大于200atm,由于可见光辐射的增强和谱线的展宽,并增加了汞分子连续谱线的作用,灯的光效和显色性都有极大的提高。在不同的汞蒸气压强下,汞灯的光谱强度分布如图3.3.15所示。从此图可以看出,随着汞蒸气压力的提高，谱线峰值下降并展宽,连续光谱背景增加。当汞蒸气压力高于200atm时,灯辐射出的大部分光是由分子辐射产生,而不是由原子光谱产生。特别是大于593nm的红光和压强密切相关,经测定其工作压强为160atm,比200atm的UHP光源在红波能量上少了20%,为了颜色的平衡,保证灯内超高压气体的工作压强对投影显示系统来说是必要的。

      UHP灯的结构如图3.3.16所示,工作压力200atm,泡壳外直径约为11mm,放电极间距为1.5mm以内。电弧管工作时管压降为60~90V,管壁最高工作耐受温度在1100℃附近。为了减少玻壳的热应力、提高玻壳的机械强度,实际的泡壳尺寸都设计成近似椭球形,再加上必要的圆弧过渡,并采用无排气口工艺。椭球形的设计可以降低UHP灯工作时管壁上的最高温度,减少石英析晶的可能性,提高灯管燃点寿命。选择的石英材料应该没有气线和气泡等缺陷,并使含氢氧的杂质少,以提高灯的性能和减少爆炸。

     提高UHP灯的光通维持性能还应注意以下方面:

①采用耐高温的纯钨电极材料。

②注意电极的处理工艺,特别是电极头部的处理工艺。

③注意灯用所有材料的绝对纯度,保证在灯的工作温度下不再释放杂质,为此需要良好的工艺设备。

④注意卤钨循环剂的使用。电极物质的逸出是不可避免的,首先应是尽量抑制电极物质的逸出,然后采用卤钨循环机理清洁泡壁。相应的灯用材料也不应释放会破坏卤钨循环的杂质,如碱土氧化物等

                                                                                                                         

图3.3.15 100 W1.3 mm UHP 光源在不同充气压时的光谱

图3.3.16 UHP灯的结构示意图

产品展示

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