（等离子体物理专业论文）金卤灯启动过程研究.pdf

堡竺兰塑主坚 塑墨 摘要。 本文详纲磺究了对弗有辅助电授的镜钠金卤灯的启动过程及萁对配套电器的要求分别 铡萤了金裔r 在电感镶流器擒离摊继窄脓冲触发器萃f l 电感镇漉器加低峰值宽脉冲触发嚣两种配套 电器f 灯的启动过 l 和不同放电阶段屯辍溅射的情况。并得到如下结论： ( 1 ) 金囟灯实际燃点的有效寿命不仅取决予电弧管自身的锕造质鼙，更主要豹依赣予配套屯器的含 璎与否。 不同金卤灯配套电器的输出性能不同，燃点效袋不同，造成灯的有效寿命不简： ( 2 ) 扁动过稚一般龟括；辉光放电辉光离弧光躲过渡一弧光放t 坦三个放电阶段； ( 3 ) 羲个放电阶段电极的溅射强度不同，辉光放电阶段帮l 出辉始海弧光过渡能除段魄极她溅射均较 严重t 为减少启动过撑对电投的损伤必须尽量缩短这两个阶段的持续时间；尖峰电流对阴搬溅射 f i 奇贡献较小：汞弧和弧光放电阶段明极的溅魁几乎可以忽略； ( ) 商蜂值窄脉冲触发嚣提供的击穿电压大大高j ：灯的赢穷电压值，每次扁动过程郝造成过壁电 搜物质的损耗； 5 ) 低峰值宽脉冲触发器提供足够赢的峰值电压，同时具有比窄脉冲触发器大，b 百倍的脉宽时秘。 n ，启动阶段可提供摹个或多个逡续出现的尖峰电漉。尖螅电漉有利于阴极的加热，能够有效地缩 ， 短辉光放电掰r 段的持续时间，而置不会逡绒电极的强烈溅瓣； ( 6 ) 通过以一l 对比测试，使用低峰值宽脉冲的触发器可大大减少电极豹溅射，也不造成辘助电投的 浇毁现象，有利： | 蒌聚县森辅助电极铳钠灯的有效寿命。用此类触发器配置电感镇流器替代c w a 燃点方式，可减多能耗和节约使用投资。t 关键词：金卤灯，配套电器，启动过程，阴极溅射 分类弓：05 3 6 在旦 擎硕士论丈 摘要 a b s t r a c t t h isp a p e rp r e s e n t so u tr e s e a r c hw o r ko nt h es t a l t i n gp r o c e s so fs t a n d a r ds c n as y s t e m m e t a ih a l i d el a m pw i t ha u x i l i a r ye l e c t r o d e t h t o u g ht h em e a s u r e m e n t so fe l e c t r o d es p u t t e r i n gw i t hd i f f e r e n te l e c t r i cc o n t r o lg e a l 4 ， w eg e tt h ef 0 1 l o w i n gc o n c l u s i o n ： t h e 1i f eo fm e t a lh a l i d el a m pn o to n l yd e p e n d so nt i l ea r ct u b eq u a lit y ，b u ta l s od e p e n d e n t o i lt h ep r o p e rs e l e c t i o no fc o n t r o lg e a r d i f f e r e n tm e t a lh a t i d el a m pc o n t r o lg e a rh a s d i f f c r e n to u t p u tc h a r a c t e r is t i c ，t h i s1 c a dt od i f f e r e n t1 a m p1 i f e w h e nt h ee l e c t r o d eisc l e a n ，t h es t a r t i n gp r o c e s sw i l l i n c l u d et h r e ep h a s e s ：g l o w d i s c h a r g e ，t r a n s i t i o no fg l o wd i s c h a r g e t oa r cd i s c h a r g ea n df u l la r cd is c h a r g e m e a s u r e m e n t so ne l e c t r o d es p u t t e rf i n do u tt h a t i 1 3d i f f e r e n td i s c h a r g ep e r i o dt h e e l e c t r o d es p u t t e r i n gs t r e n g t hi sd i f f e r e n t ，i nt h eg l o wd is c h a r g ep h a s ea n dt h et r a n s it i o n f r o mg l o wd is c h a r g et oa r cd i s c h a r g ee l e c t r o d es p u t t e r i n ga r em o r es t r o n g t or e d u c et h e d a m a g et ot h ee l e c t r o d ed u r i n gt h el a m ps t a r t i n gp r o c e s s ，w em u s tr e d u c et h es u s t a i n i n g p e r i o do ft h ea b o v et w op h a s e s a sm u c ha sp u s s i b l e t h ei g n i t o rw i t hn a r r q ww i d t hp u l s eu s u a l l yh a sh i g hv o l t a g ea m p l i t u d ew h i c ht o om u c h h i g h e rt h a nt h a t o fb r e a kd o w nv o l t a g eo f t h el a m p ，a n dt h es t a r t i n gp r o c e s sn o r m a l l y c a u s e st h ee x t r al o s eo fe l e c t r o d em a t e r i a l s s ot h ei g n i t i n gc o n d i t i o n sb e c o m eh i g h e r w i t ht h eb u r n i n g i 螅a n dc a n tb ei g n i t e df i n a l ly t h ei g n i t o rw i t h1 0 wv o l t a g ea m p l i t u d ea n dw i d ew i d t hp u l s ec a np r o v i d eo n eo ras e r i e s o fc n r r e n tp u l s ed u r i n gt h es t a r t i n gp r o c e s s c u r r e n tp u l s ew i l l b e n e f i tt h ec a t h o d e h e a t i n ga n dr e d u c et h es u s t a i n i n gl i m eo fg l o wd i s c h a r g e a tt h es a m et i m e c u r r e n tp u l s e h a v en o tm u c hc o n t r i b u t i o n t ot h ec a t h o d es p u t t e r i n g ，w h i l et h es p u t t e r i n gd u r i n g m e r c u r y a r cd i s c h a r g ea n da r cd i s c h a r g ep h a s e sc a nb e a l m o s tn e g l e c t e d c o m p a r i n gw i t h t h ei g n i t o r w i t hh i g hv o l t a g ea m p l i t u d ea n dn a r r o w w i d t hp u ls e ，t h ei g n i t o r w i t hl o wv o l t a g ea m p l i t u d ea n dw i d ew i d t hp u l s ec a nr e d u c et h ed a m a g e t ot h ee l e c t r o d e d u r i n gt h es t a r t i n gp r o c e s sa n de x t e n d t h e l a m p li f e k e y w o r d s ：m e t a lh a l i d e l a m p ：c o n t r o lg e a r ：s t a r t i n gp r o c e s s ：c a t h o d es p u t t e r i n g 2 强宴 擎硕士论文 第一章引言 1 研究金卤灯启动过程的起因4 j k 5 l 1 1 lk 1 2 l 金属卤化物灯( 简称金卤灯) 是高强气体放电灯的一利， 充入金属卤化物发展而来的。在放电管的电弧巾心高温处金属 属原予和卤素原子，金属原子参与放电并发射出特征光谱，这些 的红色成分，因而大大提高了灯的显色性。事实上，照明用金 商压汞灯大为改善，光效也有很大提高。由于具有光效商、显 等特点，盒卤灯得到了日益广泛的应用，而且成为绿色照明工 金属卤化物的放入改善了灯的光色 它气体放电光源更复杂的伏安特性，对 第一章引言 是在高压汞灯中 卤化物分解为会 谱线增加了灯光 卤灯不仅光色比 色性好和寿命长 程的重要内容之 ，但卤化物的负电性使金卤灯具有比其 电源的要求较高，必须在电路中引入配 套电器才能保证灯的正常工作。按功能分，气体放电灯的配套电器主要分为两 部分： ：盎。 启动装置，又称启动器、起辉器或触发器。启动装置的作用就是创造 条件使灯击穿，并使灯在主电源作用下进a i e 常工作状态。 镇流装置，通常称为镇流器。镇流装置最主要的作用是补偿放电的负 阻特性，保证灯的稳定工作。另外击穿后放电由辉光到弧光的过渡也 主要受镇流器性能的限制。 对于大多数的放电灯来说这是两个相对独立的装置。但对于启动要求较低 的灯来说，开路电压较高的镇流装置可兼做启动装置。如漏磁变压器能够提供 较高的开路电压使带有辅助电极的钪钠灯击穿，所以在使用漏磁变压器做钪钠 灯镇流器时无需另加触发器。 实践证明，配套电器的性能直接影响金卤灯的燃点效果，特别是对灯的光 3 植g 上擎 衰和寿命 的同时保 的有效寿 义。 苎丝! 苎二主! l 主 产生极大的影响：好的配套电器能够在使灯的优良特性得以充分发挥 证灯的有效寿命；不好的配套电器或刁i 能保证灯的正常工作或缩短灯 命，因而研制合理的配套电器对促进金卤灯的发展和应用有着重要意 金属卤化物灯, i m , b 繁多，各类型的灯剥配套f 乜器的具体要求也不尽相同， 前国内大量使用的主要是钪钠系列的金卤灯( 简称钪钠灯) ，它们绝大多数采 用了美国的生产工艺。目前，带有辅助电极这类钪钠灯所使用的配套电器主要 有两种：衡功率自耦式漏磁变压器( c w a ) 和普通电感镇流器加触发器，这两 种配套电器各有利弊。 ( 一) 衡功率自耦式漏磁变压器 c w a 在中国的金卤灯的发展过程中起了非常重要的作用，它具有许多明 显的优点： 具有升压功能，在电网电压只有1 1 0 1 2 0 v 的国家和地区必须使用这 种配套电器来提供金卤灯i e 常工作时所需的工作电压； 能够提供定够高的开路电压使带有辅助电极的灯击穿，无需另# l - i i l 置 启动装置，电路构成相对简单； 具有良好的稳流功能，能够有效地限制灯功率随电网电压的波动，保 证了金卤灯光电参数的稳定性。 c w a 有着良好的点灯效果，但是也存在着一些其自身无法克服的问题： 自身功耗大，不节能： 铁心温升大，列匹配电容及漆包线的酬温要求商，对灯具散热也提出 较高要求； 它要求采用高质量矽钢片制铁心，磁导率高，但成本也高； 体积大，重量重。 棋旦 擎硕士论文 第一章引言 ( 二) 普通电感镇流器加触发器 这种燃点方式的优点是： 自身功耗小，节能： 自身温升小，对电器及漆包线耐温要求小，同时其灯具设计的自由度 也较大： 可提供较高的，f 路电压，缩短热灯的再启动时间； 对镇流器铁心材料要求低，生产成本低，易推广，所以电网电压高于 2 0 0 v 的国家都采用这种燃点方式： 但是这种配套电器也存在着一些问题： 镇流器稳流功能不如c w a ，灯的光电参数随电网电压波动较大； 不匹配触发器提供的启动过程使电极溅射严重，一方面造成管壁的发 黑而影响光通；另一方面电极的溅射损失也缩短了电极的寿命，最终 缩短了灯的寿命。 其中，电极溅射问题是导致这种配套电器燃点效果不理想的主要原因。 实践证明通过改进触发器特性可以改善这种配套电器的燃点效果。不同触 发器所提供的启动过程不同，而各启动过程中电极的溅射量也不同，我们可以 通过调整触发器的特性而给出合理的启动过程，减少启动过程中阴极的溅射量， 从而改善这类配套电器的燃点效果。然而现在还没有专门为带有辅助电极的钪 钠灯而设计的触发器，人们直接将高压钠灯或钠铊铟灯触发器引用到钪钠灯上， 这些触发器虽能使灯工作，但并不适应钪钠灯的放电特性，不能给出合理的启 动过程，使灯的光衰和寿命指标明显变坏，因而造成了不理想的燃点效果。 所以，丌发适用于带有辅助电极的钪钠灯的触发器列于促进钪钠系列金卤 灯的进一步发展和推广有着非常重要的意义，对于绿色照明工程的实施无疑也 具有重大意义。 为了确定触发器参数，我们必须首先找到对电极损伤最小的启动过程，并 积旦上擎硝士论支第一章引言 找到对形成这种启动过程有贡献的触发器特性。 2 本论文所作工作 本论文在以往研究的基础上，主要作了以下二 ：作： 1 分别测量在不同配套电器下灯的启动过程； 2 分别测量在不同放电阶段电极溅射导致的钨的4 0 0 9 n m 辐射 3 根据实验结果为钪钠灯触发器的合理设计参数提出建议。 。# 奇 强旦上擎硝士论文第二章金卤灯的启动过程及其对配套电器的要求 第二章金卤灯的启动过程及其对配套电器的要求 1 启动过程的概述 金卤灯的启动过程一般包括击穿、辉光放电、辉光向弧光的过渡和弧光放 电四个阶段。然后，随着汞及卤化物的蒸发，放电由低气压弧光向高气压弧光 过渡。如果在灯启动以前电极上凝结有汞，则在击穿后还要经历一个汞弧放电 阶段( 此时的实际放电电极为凝结在钍钨电极上的汞) ，然后才过渡到以钍钨电 极为放电电极的辉光放电阶段啪3 8 1 9 1 ”。 蜒 鲤 g 垃 图2 1 整个启动过程中放电管的阻抗变化 各阶段放电机理不同，放电管的阻抗也不同，图2 1 为整个启动过程中 放电管的阻抗变化k s o 配套电器在整个启动过程中必须完成的任务有两项：提供击穿条件和保证 放电历经各放电阶段后顺利过渡到正常工作状态眦”。下面我们就从这两个方 面分别讨论启动过程对配套电器的要求。 檐旦上擘硕士论支 第二章金卤灯的启动过程及其对配套电器的要求 2 击穿 击穿是气体放电由非自持过渡到自持的现象。气体放电有多种形式，总的 来说可以分两大类：非自持放电和自持放电。非自持放电是指存在外致电离源 的条件下放电才能维持的现象；如果去掉外致电离源放电仍能维持，即放电的 维持与外致电离源的存在与否无关，这种放电状态称为自持放电m k ”。 2 1 直流放电下放电管的伏安特性 从在放电管的两端加电压到空间气体击穿要经历几个非自持放电阶段，图 2 2 为在直流供电情况下放电的伏安特性，即放电管电流随电极间电压变化的 关系曲线，由图中我们可以看到，放电在c 点击穿，在击穿前放电可分为三个 阶段k 9 o v l 旷 i o 。 o 图2 2 典型气体放电的伏安特性曲线 在o a 段，电极问外电压由零开始慢慢增加，随之放电管中有微弱电流流 过，且随着电压的增加电流增大，这是剩余电离下的带电粒子在两极问电场作 用下作定向运动的结果。由于在o a 段，极间电压小电场弱，带电粒子从电场 获得的动能未达到原子的电离电位，它们与原子之间只发生弹性碰撞，所以在 这一阶段放电本身没有产生电离的机制，放电无法自持。 i _ 一 。 ii 棋旦 擎硕士论文 第二章金卤灯的启动过程及其对配套电器的要求 在a b 段，随着外电压的增加放电电流几乎不再增大，即电流达到饱和。 这是因为外致电离源所产生的所有的带电粒子在复合前都能够达到电极，而放 电本身仍不能产生新的电离机制，所以放电电流达到饱和。饱和电流的大小受 外致电离源带电粒子产生速度的限制，如果提高外致电离源的强度，则饱和电 流增大，如图中a b 段所示。 当外电压增大到b 点以后，部分带电粒子山电场获得的动能已经超过了原 予的电离能，这些带电粒子可能使中性原子发生【l 离而产生新的带电粒子，放 电本身产生了自己的电离机制。所以随着电压的继续增加电流丌始迅速增大。 事实上，带电粒子的产生同时发生于放电空间和电极表面，放电空间中电 子雪崩产生碰撞电离，电极表面受离子轰击产生二次电子发射。 2 1 1 放电空间的电子雪崩6 2 放电空间中主要有三种带电粒子：电子、正离子和负离子，这些带电粒子 从电场获得动能并与空间中的中性原子发生碰撞。部分带电粒子的动能超过了 气体原子的电离能，它们可能与气体原子发生电离碰撞： 蚕+ 爿= 爿+ + 2 e 。尹t j - 爿+ + 曰= 爿+ + b + + e 爿一+ b = 爿一+ 口+ + e 电子碰撞电离 正离子碰撞电离 负离子碰撞电离 我们可以看到：电子、正离子和负离子都有可能使气体原子发生电离，但 它们的电离能力却相差很大，绝大多数电离碰撞发生于电子与中性原子之问， 其根本原因在于离子的质量远大于电子的质量： ( 1 ) 离子积累能量的能力比电子差。 一般情况下，粒子要经历多次碰撞后才能积累足以使原子电离的动能，由 于离子的质量远大于电子，它在每个自由程中积累的获得的动能要小于电子； 同时，由弹性碰撞动能转移公式： 即意务e 棋旦史擎硕士论文 第二章金卤灯的启动过程及其对配套电器的要求 其中m - 和e ，分别为碰撞离子的质量和动能，m 。和e ：分别为被碰原予的质 量和它在碰撞中获得的动能。 我们可以看到，由于离子与原予质量相近，在发生弹性碰撞时e 2 。e ，即 离子将绝大多数动能交给了原子；由于电子质量远小于原子质量，当电子与原 予弹性碰撞时e ： e 。，即电子只将一小部分动能交给原子。所以，经过几次弹 性碰撞后电子积累的动能就远大于离子了； ( 2 ) 碰撞电离对带电粒子动能的要求不同，离子需更大的动能才能使原子电 离。 带电粒子与中性原子非弹性碰撞时给出的能量为： 。，= 土巨 f r t 、十n t 2 j 其中w 。为被碰粒子在非弹性碰撞中获得的内能，在电离碰撞中可视为被 碰原子的电离能e v - 。由于离子与原子质量相近，则w 。l 2 e 。即离子能量达 到两倍原子电离能时才能够发生电离碰撞；电子质量远小于原子，w 一e 。，其 动能只要略大于原子电离能就可能发生电离碰撞。 ( 3 ) 离子与原子碰撞的作用时间长，激发和电离的几率均小于电子。 离子质量大，速度慢，与原子发生非弹性碰撞使其激发或电离，但不能立 即离开被撞原子，碰撞后两粒子继续发生相对作用，常使被撞原子的电子轨道 系统重新回到了低能状态，最终未能使原子激发或电离；而电子速度快，发生 能量转移后在很短时间内离开，获得能量的中性原子的状态必然发生变化。 由以上的讨论我们可以看到，发生非弹性碰撞导致气体原子电离的带电离 子主要是自由电子，而电子碰撞使原子电离的几率又随电子的能量丽变，图 2 3 给出了几种气体的电离函数聃3 。从图中我们可以看到，当电子动能小于原 予电离能时电离几率几乎为零，随着电子动能的增加电离几率随之增加，一般最 大电离几率发生在电子能量为电离能5 1 0 倍的范围内，在这以后随着电予能 量继续增加，电离几率反而会下降，这是因为电子速度过快，与原子的相互作 用时问过短，导致能量交换的过程来不及发生。 o 壤gk 攀囔 论t 第二章金卤灯的启动过程及其对配套电器的要求 电离几宰 电子船叠( e v ) i 芏| 2 3 几种气体的电离函数 、一 - 电子在向阳极的运动中不断发生电离碰撞，导致电子数猛增，这种现象被 称为电子雪崩或电子繁流。由汤生理论可得，t b 阴极发出的n 。个电子经电子雪 崩后到达阳极的电子数为： h = h o e “ & 、。 其中，a 为一个电子从阴极到阳极单位路程上发生非弹性碰撞所产生的电 子一离子对数目，称为汤生第一电离系数；d 为电极间距。 到达阳极的这些电子中有n 。( e 一1 ) 个是在放电空间由电子雪崩产生的， 由于在放电中电子和正离子是成对产生的，那么在产生了这么多电子的同时放 电也产生了n 。( e 一1 ) 个讵离子。这些正离子在极间电场的作用下向阴极运动， 在稳定状态下，到达阴极的正离子数与到达阳极的电子数相等。这些正离子到 达阴极表面时有可能与阴极表面发生作用产生电子发射，这就是在阴极表面发 生的y 过程，即二次电子发射。 2 1 2 阴极表面的二次电子发射 在气体放电过程中，阴极因受i e 离子的轰击而发射电子的现象叫做二次电 棋旦上擎硕士论文第二章金卤灯的启动塾程垦苎堕坠查垫堡塑墨垒 _ - _ h _ _ h _ _ _ _ _ 子的发射，实质为金属内部电子吸取正离子的动能或势能( 主要为动能) 来克 服金属表面势垒而逸出。y 系数又称汤生第三电离系数，它表示平均每个正离 子达到阴极上所引起的次级电子发射数，图2 4 为y 系数与正离子动能的关系 圈2 4 不同气体一电极的组合下汤生第三电离系数随轰击离子能量的变化 根据朗之歹鞣迁移率理论可知正离子的迁移速度与电场强度成正比啪 v ：k e * 墨 p 当电场较弱的时候正离子的动能较低，不足以使电子克服表面势垒，所以 没有二次电子发射。随着电场的增强轰击阴极的离子动能增加，当离子动能增 加到一定幅度后才开始有二次电子发射。 总的二次电子发射量正比于y 系数和入射离子数目，由电子雪崩我们可以 得到入射的离子数为n 。( e “一1 ) ，则总的二次电子发射量为： yn 。( e “一1 ) 当极间电压达到c 点时阴极表面的二次电予发射量满足 yn n ( e 一1 ) = n o 堡! ! ! 罂堡墨苎三主垒宣堑堕生垫塾堡垦基壁坠查垫苎竺墨墨 即： y ( e i ) = 1 此时，从阴极表面发射出一个电子，经过空问电子雪崩产生新的j 1 三离子， 这些j f 离予轰击阳极所引起的y 过程又发射出一个二次电子。在这种情况下， 即使取消了外界电离源放电电流仍能维持，说明气体已经山非自持放电过渡到 了自持放电，即气体已经击穿了。习惯上称c 点为电流击穿点。 电流击穿后，在c d 段可以看到放电电流突然猛增，这是因为阴极的二次 电予发射增加了空间雪崩的初始电子浓度，使雪崩得到增长：而空间电子雪崩 又增加了轰击阴极表面的离子数，使二次电子的发射得到增强，最终使放电空 问带电粒子浓度增大，气体导电率不断增加，于是放电电流迅速增大。这导致 了线路中电压降的重新分配，在d 点可以看到放电管极间压降减小，这一点通 常被称为电压击穿点。 放电击穿后极间电压急剧下降，在e 点达到稳定状态，放电进入辉光阶段。 2 2 交流供电下放电管的击穿要求 以上讨论的是在直流供电情况下测到的气体放电的伏安特性，只要极问电 压超过击穿电压就可以导致气体击穿( 放电的击穿是一种统计过程，f 好等于 。，f 硷。 击穿电压的极向电压不是一定能够使灯击穿的) 。然而在多数情况下放电灯都是 在5 0 6 0 h z 交流供电的情况下燃点的，这就使灯的击穿与直流情况下有所不 同5 ”。 从前面的讨论中可以看出，使气体击穿必须有足够的带电粒子数，要求必 须经历一定的电子雪崩数才能使灯击穿，于是由加电压到放电击穿有一个延滞 时问，简称为在这一电压下的击穿时滞。击穿时滞的长短取决于初始带电粒子 的浓度和空间电子雪崩的快慢。在5 0 h z 交流供电情况下每个半周中电压都有 一个上升再下降最终过零反向的过程，所以每次两极间电压超过击穿电压的时 问有限( 1 0 m s ) ，如果它短于这一电压条件下的击穿时滞，将无法使灯击穿。 随着电压的降低和过零，前一次雪崩产生的电子大多数复合损失掉了，对下一 次电子雪崩的贡献很小。由此可见，在交流的情况下灯的击穿不仅对电压的高 度有要求，对高电压的维持时间也有一定的要求。 棋旦史擎硕士论文 第二章金卤灯的启动过程及其对配套电器的要求 管两 称为 穿时 步导 i n j 就 放电管的击穿时滞除了依赖于内部气体状态和电极性质外，还与加在放电 端的电压有关。将实际加在放电管两端的电压与放电管的击穿电压的差值 过电压，实验发现过电压对气体击穿时滞的影响是非常大的。图2 5 为击 滞与过电压的关系 i 。过电压高，一个周期的电子雪崩时间缩短，并进一 致击穿时滞的缩短。所以当配套电器所提供的电压较高时其高压的维持时 可以相应缩短些，而当外电压幅度不是很高时其维持时间就必须较长。 o l o 。 i o 1 0 1 击穿时滞s 图2 5 击穿州滞与过 u m 的关系 金属卤化物灯中充入了带有负电性的卤化物 子生成负离子。前面我们提到过，由于离子的质量 予电离的能力比电子小得多，所以负离子的生成大 所以金卤灯的启动比其它h i d 的启动要求，人们对灯本身作了一些改进 这些卤化物可以吸附自由电 远大于电子质量，离子使原 大抑制了电子雪崩的发展， 光源困难，为了降低金卤灯 在灯内充入氩气，氩汞混和气体的潘宁效应能够有效地降低灯的击穿 电位。 在灯的一个电极附近设置辅助电极， 其相邻主电极间首先发生局部放电， 当在灯两端加电压时辅助电极与 剥于整个放电管中的放电来说这 相当于一个外致电离源，增加了放电管中的初始带电粒子数，达到击 穿所需的雪崩次数减少，缩短了击穿的延滞时间。 在灯自身作了这些改进的基础上，普通镇流器所提供的2 2 0 v 开路电压仍 无法使灯击穿，这就要求配套电器额外提供一个脉冲高压，它不仅要具有超过 i| ， i 。 、m h ，la i i a r l。 、 如 加 m o 过电堆 v 飞， 哆滞，时的穿击长延 堡! ! 兰塑主堡圭 苎三主垒鱼堑塑生垫塾堡墨苎堕坠查兰笪堕兰生 击穿电位的脉冲峰值而且还要具有大于这一电压下击穿时滞的脉冲宽度a 目前能够为带有辅助电极的钪钠灯提供这一脉冲高压的的配套电器主要有 两类：c w a 和普通电感镇流器加触发器。对于后者的触发器又分两大类：高脉 冲幅值、窄脉冲宽度类型以及低脉冲幅值、宽脉冲宽度类型，这髓种触发器的 性能相差较多，所以事实上我们可以认为存在三种启动方式。这三种启动方式 所提供的空载波形不同( 主要指脉冲电压的相位、峰值和脉宽) ，导致击穿过程 不同，击穿的能力也不同。由于钪钠灯的电极要求和目前进口生产线的工艺等 问题，国产钪钠灯的启动要求最高，在上述三类启动方式下造成的点灯效果也 明显不同，( 这在以后的实验部分我们可以看到) 。 3 辉光放电 在电极清洁的情况下，击穿后放电进入辉光放电阶段，辉光阶段放电的伏 安特性为高位降低电流，这是由辉光放电下阴极的发射机理决定的i i o 在辉光放电阶段阴极的发射是靠正离子轰击阴极所产生的二次电子的发射 来维持的。相对而言，正离子轰击导致的二次电子发射并不是一种非常有效的 阴极发射机制，所以这一阶段虽然有很高的阴极位降，放电电流仍较小。图2 ： 一6 为辉光放电阶段的电压电流波形。 ； t in厂弋厂习 厂、r r 、 旷jl ： ：l ：1 l jl 【 l 一 t i m e ：l o m s d i v 电压：3 0 0 v d i v 电流：1 0 a d i v 图2 6 辉光放电阶段的电压电流波形 电压 电流 ! ! ! ! ! 主堡墨 苎三主全鱼堑塑生垫垫堡墨兰堕坠查璺墨竺兰垒 - 次电子的发射并不是离子轰击阴极表面的唯一效应，当正离子轰击阴极 表面时还会发生原予溅射、离子反射、离子灌输和增加阴极内能等效应，如图 2 7 所示o ”。 屯极表面 2 7 正离了与阴极表嘶的相且作用 其中二次电子发射和阴极原子的溅射是我们最关注的效应，前者是击穿过 程及辉光放电阶段中占统治地位的阴极发射过程，后者是导致灯有效寿命缩短 的主要原因之- f 键后面的讨论中我们将专门讨论在各放电阶段阴极的溅射问 题。 4 辉光向弧光的过渡 在辉光放电阶段正离子轰击阴极表面除了造成二次电子发射和阴极原子的 溅射外还会增加阴极热能，同时由于热传导、热辐射和热电子发射等因素，阴 极还会损失一部分热能，如果输入能量大于损失能量则阴极温度会上升。随着 阴极温度的上升，阴极热电子发射将增加。热电子发射是比二次电子发射更为 有效的阴极发射机理，所以随着热电子发射的增加阴极位降会下降而放电电流 会增大。当阴极达到一定温度后，阴极表面的热电子发射占据了绝对优势以后， 攒里史挚顾士论主第二章垒卤灯的启动过程及其对配套电器的要求 放电进入到弧光放电阶段啪。 图2 8 所示为放电出辉光向弧光的过渡，由图中可以看到在辉光放电和 低气压弧光放电之间还有一个电压逐渐减小与电流逐渐增大的过渡阶段。 r 牧i u r 九州n 般 r m m t i 1 i i怂 泳kkkk h 卜卜、l 帅f 卿阿 丫丫rr rr ；r 7 i 1 n揿 孵 i3imj is l i ! 噩噩删w 执 蝴黼 v 靶 m l啊 t l ：- t i m e ：0o s “d i v电压2 0 0 v f d w电流33 5 a f d i v 图2 8 放电由辉光向弧光的过渡 电j r 电流 当阴极的输入能量等于输出能量时阴极温度将不再上升，如果此时热电子 。 发射仍不能占主导地位则放电将无法过渡到弧光阶段，在使用窄脉宽的钠灯触 发器来燃点钪钠灯时可能会出现这种现象，尤其是对于进入一定寿命的老灯。 在辉光放电阶段，输入放电管的能量绝大多数都用于阴极的加热，单位时 间输入能量越大，阴极加热越快，则由辉光向弧光的过渡越快。 放电管的输入能量主要由镇流器的输出特性控制，由于此放电阶段下灯的 电导很低，相应加热的时间较长。电极的溅射损耗也较大。又由于辉光下的管 压降很高，触发器仍在工作，因此合理的触发性能将大大降低灯的阻抗，从而 加大镇流器的功率输出。因此，从这个意义上来讲，在触发器加镇流器的启动 方式下，辉光向弧光的过渡时间长短将主要由触发器的特性来决定。 i 甍9 父聋l e 淹t 第二章金卤灯的启动过程度其对配套电嚣的要求 5 弧光放电 当阴极电子发射以热电子发射为主后放电进入弧光阶段，由于热电子发射 是一一种非常有效的电子发射机制，所以放电不再需要很高的阴极位降，在这一 放电阶段放电的伏安特性为低阴极位降大工作电流nh 。 在弧光放电开始的阶段由于绝大多数的汞和卤化物仍处于液体和固体状 态，空间气体压强很低，所以发生的是低气压弧光放电。随着放电的发展，电 弧温度不断升商，汞和卤化物逐渐被蒸发，放电管内气压升高，当放电过渡到 正常工作状态时放电发展为高气压弧光放电。我们可以看到在这阶段中放电 管电压逐渐升高而放电电流逐步减小，如图2 9 所示。 l - 弧光t 7 1 弧光 i 。础黜l m 蚴 i ”1 川嗍m 删刖删i 丁 l 一 二 ；l i i l l l i i i l _ 伸z 5 4 山腓i ：帅1 1 卜州。“”。l l l l l a “l i ll d l l l l i t 下“”f ” j i i t i m e ：2 0 s d i v 电堆：2 0 0 v d i v 电流l o v l d i v 图2 9 低气压弧光向扇气瓜弧光的过渡 电压 电流 一般情况下，灯的掰个电极不是同时达到热电子发射温度，于是两个半周 就不是同时进入到弧光放电阶段。在实验中常常可以看到放电的某一半周已经 进入低位降大电流的弧光放电阶段，而另一半周仍维持在高位降小电流的辉光 放电阶段，通常我们称之为单极弧光放电阶段，如图2 一l o 中单极弧光阶段所示。 j 笙兰兰! ! l l 堡! 一苎三主垒鱼堑塑生垫苎堡墨苎壁! ! 查皇整竺墨查 二二= l 兰1 2 ”卅1 ， ，t jq o 并巴i 目v 置。t 卜 6 汞弧放电 单极 l 肝儿 t 锨光1 n 兀 。 7 f l - l 州、_ n 丫“，、“ f j 【1 n * 4 l i n i 槲 12 。州。口懒“矿矿矿v 土 l ， l t i m e ：5 0 m s d i v 电j e ：4 0 0 v d i v 电流：i o a d i 图2 1 0 单极弧光放电 电流 电极表面清洁的放电管击穿后直接进入辉光放电阶段，但是在实际应用中 山于冷端问题，电极表面常常凝结有汞滴，在这种情况下放电管击穿后要首先 进入一个“秉弧放电”阶段，其伏安特性为高的再启动电压、低维持电压和大 电流”。 ； i j 8l ： l c f l 【 f ， 盯 ： 厂!： ： ? |：，i， y fj 。 _ 、 、|弋、；： vvi v v lj v i ；l t i m e ：l o m s d i v 电压：i o o v d i v 屯流3 a d i v 圈2 1 i 汞弧放电阶段的电压电流波形 电压 电流 穗算上挚硕士论走 第二章金卤灯的启动过程及其对配套电器的要求 汞弧放电的实质为以凝结在钍钨电极表面的汞滴为实际放电电极前端而形 成的低气压弧光放电，所以它的阴极位降较低，但电流较大，如图2 1 l 所示。 在汞弧放电阶段，轰击阴极的带电粒子将自身能量交给电极及凝结在电极 上的汞滴，造成电极和汞滴升温，汞滴逐渐蒸发，当凝结在电极表面的汞全部 挥发摔后汞弧放电结束。一般情况下，汞弧放电结束后放电进入辉放电阶段。 烨光 卜一汞弧一斗】| t弧光一4 i y 卅州玳脚舢一 0 、l ，、j j i 艇 j ia jv ；扎肌洲 i1 t i i t1 tttt t i m e ：5 0 m s d i v 电压：5 0 0 v d i v 电流5 a d i v 图2 一1 2 汞弧放电后放电进入辉光阶段 电流 由图2 1 2 可见，由于汞弧阶段电极被加热，所以汞弧放电后的辉光放电 t 一h 的持续时间将缩短，甚至可以直接进入弧光放电，如图2 1 3 所示。 r 一 t 1 ， i 隔孵碲啪漪黼黼赫享掣 l | 口ivv ；u l 1 i 饥叫八w 扩，气，飞 l f f t i m e ：5 0 m s d i v 电压：3 0 0 v d i v 电流：3 0 a d i v 图2 1 3 汞弧放电后直接进入弧光放电 电压 电流 墅兰兰! ! 二! ! 二! 尘 苎三主全鱼堑堕生型堡堡垦苎堕坠堂皇竖竺墨查 二二= 二二= 二二一o ， 7 放电过程中的溅射 在放电过程中，受阴极位降加热的正离予会轰击阴极表荷，并与阴极表面 发生多种相互作用，其中阴极原子的溅射是导致灯的电极损伤的主要因素。 比较成熟的阴极溅射理论为离子冲击理论，它认为阴极溅射的实质为入射 离予与电极表面原子发生二体弹性碰撞，将自身动能转移给电极原子。这些原 予被碰撞后的运动方向是随机的，其中有一部分运动方向向外，于是就有一些 电极原予脱离电极表面，并以很大的初速度向外运动最终沉积在附近的放电管 壁上k 2 l 。 出二体弹性碰撞的能量交换公式我们可以得到，在弹性碰撞中阴极原子所 得到的列i 能为 一! 业= e ( 佩+ ) 2 其中1 3 3 ，为轰击阴极的正离子的质量，e 为i l i 离子的动能，m 。为阴极原子质 量。 ， 溅射的产出比s 为每个入射正离子溅射出的原子数，它与靶原子在碰撞中 获得的能量成正比，即 。哆1 s 型：e ( 肌，+ 卅，) 2 由式可知，入射产出比与入射正离子的动能成正比，由朗之万漂移率理论 可知正离子动能与阴极区加速电场的平方成正比，山此可知溅射的入射产出比 与阴极区的加速电场的平方成正比啪。 比较新的阴极溅射理论为离子轰击理论和蒸发理论的综合。这个理论可以 简述如下：离子轰击阴极表面，把自身能量传给金属原子，这样金属表面的局 部地区能在极短的时间内产生很高的温度，虽然金属的导热性好，被加热的阴 极面积的温度可能在短时间内下降，可是还是有部分金属原子蒸发了出来。在 这一理论中溅射量同样随轰击离子动能的增加而增加。 总之，随着阴极电位的增加，轰击阴极表面的正离子的动能增加，最终导 棋里 擎硕士论走 第二章金卤灯的启动过程及其对配套电器的要求 致溅射的加剧。 另外，电极实际的溅射损失量还与空间气体的压强有关，当空间气体压强 增大时脱离阴极表面的原子在空间运动的自由程减小，这些粒子的运动越来越 具有蒸气扩散运动的特性，随着碰撞的增多，回到阴极的原予增多。因此，当 其它条件不变时，气压越大阴极溅射越小。 前i 面已经讨论过：在辉光放电阶段阴极位降大，随着向弧光的过渡阴极位 降逐渐减小，弧光阶段的阴极位降远小于辉光阶段的阴极位降，从理论上可以 预测：辉光阶段阴极溅射剧烈，相比弧光阶段的蒸发损失，溅射是电极物质损 失的主要途径。 8 理想启动过程的要求 一个令人满意的启动过程必须同时具备如下几个条件 易启动； 过渡到正常工作状态的时问短； 整个启动过程对灯的伤害小。 。妒也 堡! 查!竺堕墨蔓二三章不同配套电器条件下灯的启动过程及电极溅射 第三章不同配套电器条件下灯的启动过程及电极溅射 1 各种配套电器的空载特性 前面已经讨论过，有两种触发器可以用来燃点带辅助电极的钪钠灯，这两 种触发器的空载波形不同，即输出电特性不同，因而点灯效果也不相同。 配套电器空载特性主要通过三个参数来描述：脉冲高度、脉冲宽度和脉冲 栩位，其中脉冲高度和脉冲宽度与触发能量有着密切的联系。 只有在配套电器提供足够高触发能量的时候放电才能够击穿，触发能量分 别与触发脉冲的商度( v 。) 和宽度( t ) 成正比： w 。c f 脉冲峰值越高，电极间电场越强，带电粒予在电场方向运动时加速度越大， 单位路程发生非弹性碰撞的次数多，加速了电子雪崩，因而有利于击穿，但电 场过强同时产生了一个副作用：电极的溅射强，因而一味提高脉冲高度是不合 理的；若触发脉冲冒争宽度增大，则高压的维持时间长，对击穿时滞的要求就低， 相应地允许一定程度上降低脉冲峰值，带来的好处是减小了电极的溅射损耗量。 另外触发高度和宽度还必须满足以下要求： 触发脉冲峰值必须高于放电管的击穿电位，而且放电管的击穿电位会 随着寿命的增加而升高，所以若触发峰值不足够高，在灯的寿命后期 也将不能击穿； 对于定的脉冲峰值，由于击穿时滞的要求，脉冲宽度也有一个最小 值，若脉冲宽度小于这一最小值，即使有很高的脉冲幅度仍不能使放 电管击穿。 棋a 史擎硕士论丈 第三章不同配套电器条件下灯的启动过程及电板溅射 下面是这两种触发器空载特性的比较： 电感镇流器加高峰值窄脉宽触发器 此类削 发器所给出的脉冲特征为幅度高、脉宽窄，输出脉冲通常为电压的 高频振荡波形，每半周可有- n 多个脉冲输出，如图3 1 所示。图3 2 为它 们的展开波形。其典型参数为：振幅4 - - 6 k v ，脉宽1 2 us ，单脉冲或多脉冲 的第一个脉冲出现的位相一般小于9 0 度。 t 一 午个离雎味冲；个商匝酥冲 i 墨| 3 1 钠灯触发器窀载电上l i 波形 r f n l- jk t i m e ：0i m s d i v 电压：20 k v d i v 图3 2 高压脉冲的放人 电感镇流器加低峰值宽脉冲灯触发器 此类触发器所提供的空载波形如图3 3 所示，每半周一般只有一个脉冲 j 墅兰兰! 二二l 主里2 l 一苎三主至旦竖查皇苎! 生王堑盟生塑垫堡墨皇坚堕堑 2 = 2 = = 二= = l 口y 自w l = l u a m a * 输出，其脉冲峰值一般为7 0 0 1 2 0 0 v 左右，脉宽为数百微秒至1 毫秒左右， 脉冲出现的位相一般接近9 0 度。 一一i j 刈卅lf河l 珥 一- j八 、7 k 江 幽3 - 3 金卤灯触发器的空载波形 各配套电器击穿过程的比较 我们采用下图所示的线路来测量不同触发器条件下灯启动过程中的电压电 流波形。 - 2 2 0 图3 4 普通电感镇流器加触发器提供的启动过程的测量装置 棋旦上擎硕士论支 第三章不同配套电器条件下灯的启动过程及电极溅射 2 1 普通电感镇流器+ 高峰值窄脉宽电子触发器 灯在还未击穿以前相当于触发器空载，在周期开始两极问