金属卤化物灯紫外促发器的设计

2014-11-18丁有生

灯与照明 2014年2期

丁有生

(武汉职业技术学院，武汉 430000)

0 引言

放射性元素85Kr 可在金卤灯内产生触发所必需的初始电子，可大大缩短启动时间，减少电极溅射，因此它已被广泛使用。但放射性元素对人体和环境的危害性是必须考虑的。使用UVE(紫外促发器)的紫外线照射也是一种有效的产生初始电子的方法，由于其优点较多应用会越来越广。UVE 的结构形式多种多样，主要有单电极、双电极及其他它类型等。从工作原理上又可分为气体击穿导电型和介质阻挡放电型两种。气体击穿导电可以是辉光放电也可以是火花放电。气体击穿导电UVE 的结构相对复杂，一般还需限流装置，其适用范围有局限性。

图1 所示UVE，结构简单，制造使用方便，工作可靠且成本低，是UVE 的发展方向之一。下面对该种UVE 的设计做一些探讨。

图1 单电极UVE

1 外壳材料的选择

外壳材料的选择主要应考虑材料的紫外线透过率、耐温性、介电常数、介电强度、生产和使用成本等因素。因为透明石英玻璃具有紫外线透过率高、耐高温和加工方便等优点，UVE 可选用石英玻璃作为外壳材料。但对直径小于3.5 mm 的小型UVE，用石英玻璃加工就存在一些技术难度，而陶瓷管就不存在这个问题。除去陶瓷管内的杂质气体相比石英玻璃也更容易，且加工中不会像石英玻璃那样会引入二次羟基。如图2 所示，可用陶瓷管做成结构非常紧凑且耐高温的UVE。而且，在填充气种类和压力一定的情况，陶瓷UVE 的触发电压比石英UVE 低而紫外强度比石英UVE 高。有些透紫外线硬料玻璃和软料玻璃的短波紫外透过率也较高，而且氢、氦、氖气也不会透过管壁而进入外壳中，也可考虑将它们作为UVE 的外壳材料。图3 和图4 供参考。

图2 陶瓷外壳UVE US1999/5942840 Philips

图3 欧司朗石英玻璃紫外透过率曲线

图4 肖特硼硅玻璃紫外线透过率曲线

不同壳体材料的介电常数是不同的，如多晶氧化铝陶瓷的介电常数为10(1 MHz)，而肖特8337B 玻璃的介电常数为3.75(1 MHz)。显然，使用陶瓷作为外壳材料，由于其储存的电荷量较大，同时，作用在气隙上的场强也大，这对降低UVE 触发电压和提高紫外输出功率有利。

此外，不同壳体材料的介电强度也是不同的，如多晶氧化铝陶瓷、石英玻璃和硼硅玻璃的介电强度分别大致为64 kV/mm、50 kV/mm、30 kV/mm，对低温触发灯也许这个问题并不突出，但对热启动的金卤灯，这个问题也是必须被考虑的。

图2 的文献报道，UVE 总长为25 mm，壳体材料为PCA，其内部长度小于4 mm，壳体外径为2.6 mm，壳体内径为0.78 mm。电极是直径为0.71mm 的铌，其内充有133mbar 的氩气，实际充气压力可在30mbar～200mbar 之内。在陶瓷的坯料阶段，将陶瓷管的一端压死后再烧结。UVE 内也可填充适量的氖气或者汞，但充汞并不是必须的。使用CDM70W 灯分别装配有上述的UVE 和填充有汞和氩气的石英UVE 做比较实验，陶瓷UVE 比石英UVE 的平均触发电压稍低，但最大触发电压大约低500V，且石英UVE在40 和100 小时时分别有一支不能触发。详见图5和图6。

图5 平均触发电压比较

图6 最大触发电压比较

2 填充气种类和气压的选择

填充气的种类和气压的选择主要应考虑触发电压、紫外强度及紫外光谱能量分布等的需求，并在它们之间平衡。UVE 紫外线的来源主要有两方面，一方面是原子和分子被激发、电离后，回到基态时所产生的光子，另一方面是原子和分子在高能电子和强电场的作用下而生成的准分子分解成原子和分子时所产生的光子。一般认为，紫外波长为180 nm～280 nm为有效的波长范围。如果波长太长，光子能量有限，较难产生初始电子;如果波长小于180 nm，光子较难穿过UVE 和放电管外壳。比如，当波长小于160 nm的紫外线就几乎不能透过石英玻璃了。

可满足上述要求的气体很多，如惰性气体、氮气、汞、卤素、易挥发的卤素化合物及它们的混合物等等，但它们各有优缺点。氮气很便宜，在利用外装配结构构成的UVE 中，它是首选，但它的放电光谱与氙气、氩气相比，偏向可见光这边。氦气、氖气可与其他气体组成潘宁气但它们的分子量小，在高温下有穿透石英玻璃的风险。汞与氩的混合气是我们非常熟悉的。在UVE 中，填充约1 托至50 托的氩气并将汞作为杂质加入，实践证明，它是一种很有效的填充剂，汞的254 um 谱线不仅产额大而且非常有效。纯粹充氩也可达到我们所需的一些效果，但它的紫外强度和触发电压与含汞UVE 相比，还是有些逊色，因此，这种汞氩体系现在还在被使用。但这种汞氩体系，对人和环境都有影响，不适用于无汞金卤灯。将碘作为杂质气体混入氙气中，可产生我们所需要的紫外辐射(US2003/0057833 Osram)。例如，碘原子可产生178.3 nm和206.2 nm 的辐射，氙气也可在我们所需的紫外光谱范围内产生我们所需的紫外辐射。电子在电场中获得的能量大部分通过碰撞传输给了Xe 使其被活化，并与碘生成短寿的准分子XeI，于是在253 nm 处产生强的辐射，它有一个强的过渡带且其尾部向短波方向延伸。这个波长近似于汞的253.7 nm 紫外线，而且碘在UVE 工作范围内有比汞更高的饱和蒸汽压，这样，在低温状态下可能有比汞更高的紫外生产效率，因此，可用碘代替汞。在这里，氙气也可用氩气或氪气取代。碘也可用气态的CH3I，HI，SiI4取代，当然HgI2也是可以的。UVE 里填充碘还有一个好处，当灯是热态时，UVE 里碘的蒸气压很高，阻止了UVE 工作，对灯起到了保护作用。碘也可用其他卤素元素或其气态卤化物取代，表1 供参考。

表1 卤素或其准分子紫外发射峰值波长

为了说明紫外强度和触发电压与填充气压的关系，在此，我们以图1 所示的UVE 为例交流填充气气压的选择问题。

UVE 的紫外强度很小，测试其实际的发光强度有一些条件上的限制，而我们所关心的只是其相对强度，因此，此处的紫外强度未使用单位。在图7 中，随着充气压的提高，紫外强度在不断上升。我们知道，气体放电消耗的功率主要为单位时间内用于气体电离和激发的能量。气体电离所消耗的能量不仅与产生每个电子的能量有关而且与电离产生的总电子数有关。总电子数一方面取决于碰撞频率，另一方面取决于电子雪崩产生的电子数。碰撞频率与气压成正比，而电子雪崩产生的电子数随气压非线性上升，所以气体放电消耗的功率随气压非线性上升。而且，还有光电离，从而使气体放电消耗的功率随气压的变化更是非线性上升。同时，我们可以预测随着气压的上升，电子的碰撞频率将太高而导致电离能力下降，紫外辐射功率在达到一个极值点之后，又非线性下降。

图7 紫外强度与充气压间的关系

在图8 中，随着充气压的提高，触发电压也呈上升趋势。这种现象可用帕邢定律Vs=f(pd)来作近似解释。其实这种放电是不完全遵循帕邢定律的。文献［2］认为，Vs 的实际值比理论计算值大很多，但它的分布与帕邢定律相似，先随着pd 增加而下降，进而产生一个极小值点，再随着pd 的增加而上升。文献［2］同时还指出，击穿电压分别依赖于气压和极间距离。文献［2］对此问题有深入研究，在此不再重复。

图8 触发电压与充气压间的关系

3 改进UVE 性能的途径

改进UVE 的性能主要包括降低UVE 的触发电压和提高有效紫外辐射功率两个方面，它们一方面紧密联系，另一方面也相互区别。综合起来，可从以下这几个方面考虑。

3.1 优化UVE 的几何尺寸

UVE 的外部尺寸主要取决于UVE 制造和灯泡装配需要，同时，不同外径和长度的UVE 的触发电压和紫外辐射强度也是有明显区别。UVE 气隙的电场强度要比平均电场强度大，它与内电极与壳体间的距离，壳体的厚度呈反比关系。因此，缩短气隙间距和减小壳体厚度可提高作用在气隙上的电场强度，降低作用在UVE 上的触发电压。而在填充气一定的条件下，触发电压越低，则紫外辐射强度越高。

3.2 在阴极上涂覆电子粉或使用低逸出功物质

作用在UVE 气隙上的场强很高，它会使阴极的有效功函数降低，即位垒降低，而且位垒还要变窄。如果在阴极上涂覆电子粉(如BaO 类)或者阴极使用逸出功低的材料，这样电子在较低的场强下就可透过位垒(隧道效应)跑入放电空间而促进气体击穿。同时，具有一定能量的的电子和离子在强电场的作用下轰击低逸出功的阴极，也会产生更多的二次电子。