浅谈金卤灯色温.doc

浅谈金卤灯色温 赵军 （浙江宇光照明科技有限公司，浙江 绍兴） 摘要： 简要介绍色温相关知识；以原子受激发光原理为基础,并结合金卤灯发光原理详细阐述了金卤灯光源中色温偏差的原因；为提高金卤灯色温一致性提出参考意见。关键词：色温 金卤灯 原子跃迁 辐射能量 陶瓷金卤灯 Color Temperature of Metal Halide Lamp Zhao jun ( UNIVERSELITE Co., Ltd. Zhejiang shaoxing ) Abstract：This paper describes color temperature-related knowledge；to atoms by the excitation light based on the principle and the principle of combination of metal halide light metal halide light source elaborated on the reasons for deviations in the color temperature；metal halide lamp color temperature to enhance the consistency of reference.Key words： Color Temperature Metal Halide atomic transition radiation energy tubes of Ceramic Metal Halide Lamp 前言色温：描述光源颜色的度量单位。色温是电光源最重要的参数之一，可以通过仪器定量测试具体数值也可以通过肉眼观察颜色来对其进行定性辨别。早期白炽灯光源遵循热辐射发光原理，温度与色温成正比。随着节能意识的增强，新一代气体放电灯取代白炽灯。气体放电灯光源色温与热辐射光源色温是两个完全不同的概念。气体放电光源的色温不仅与温度有关系而且还涉及到温度分布均匀性、填充物种类、各元素的比重、外泡壳荧光粉种类和性能等诸多因素的影响。本文主要分析金卤灯色温相关理论知识。 1 色温的定义 1.1色温的理论定义绝对黑体把吸收的所有能量都以可见光的形式向外辐射，光源在可见区发出的光与绝对黑体所发出的光颜色相同时，就把此时黑体的温度定为光源的色温。我们用热力学单位开尔文K表示（1K-273.15）。（只有绝对黑体不反射照射到其表面任何波长的辐射能量，而是完全吸收这些辐射能量来增强内能再以热辐射的形式向外发出不通颜色的可见光。随着温度升高光颜色由暗红色红色黄色白色青色淡绿淡紫。）1.2光谱分布与色温定义图1为白炽灯光源光谱图，从图中可以看出白炽灯发光为连续光谱。并且从380nm-800nm可见光波长中随着波长增加相对光谱能量也在增加，热红外相对能量最高。色温理论值定义可以以光谱图中颜色边界与分布曲线的交界面积来进行分析。图1为某规格白炽灯光谱图，光源光谱能量高低以阴影处的面积为计量单位。红光带辐射能量为A，依次类推。光源的辐射总能量P =A+B+C+D+E+F+G+热红外辐射。观察图1：白炽灯光谱中红橙黄光光谱能量占辐射总能量的比重相当大（ABC总面积远大于DEFG总面积），相关色温为2983K此时光源颜色偏红黄；观察图2：金卤灯灯光谱中红橙黄光光谱能量占辐射总能量的比重偏小（GD面积几乎等于ABC总面积之和），相关色温为：4219K此时光源颜色为白色偏淡黄。从图1图2光谱图各波段辐射能量分布基本可以推论出色温的高低取决于不同波长的光辐射能量占总辐射能量的比重。目前行业中对色温的理论定值基本都以红橙黄光辐射能量占总辐射能量的比重为基准。假设色温参照数值为X：X=（A+B+C）/P。当比值X值大于某规格金卤灯标准色温值时色温偏低；当低于规格金卤灯标准色温值时色温偏高。 2金卤灯光源色温金卤灯色温可以根据金属填充物的种类来选择色温范围，金卤灯又是通过什么方式来控制色温范围，首先得从金卤灯发光原理开始分析。 2.1 金卤灯发光原理金卤灯属于气体放电灯的一种，气体放电灯发光都遵循原子受激跃迁辐射可见光原理。无论是高压气体放电灯还是低压气体放电灯都会在灯管内添加数量不等的水银和几十至几百托引燃气体。金卤灯添加氩气、水银、金属卤化物和微量氪气。电路工作时，金卤灯电弧管两电极之间形成一个类似点电场的强大电场如图3所示。在电弧管内部存在少量具有放射性氪气使氩气产生部分电离，在电场力作用下离子发生漂移，随着电场强度增加离子获得的动能增大。 当粒子获得的能量足以使氩原子发生电离时整个电弧管内腔开始发生汤森雪崩效应。此时电极经过预热也开始向外发射电子，电弧管内腔中高能的带电粒子和游离原子发生非弹性碰撞，内能急剧增加。随着腔体气体内能增加，温度随之上升，蒸气压比较大的水银开始变为水银蒸气，使腔体游离原子浓度上升。在短短0.1秒时间电弧管开始由辉光放电转变为以水银原子形成的弧光放电。温度升高金属卤化物不断蒸发，成为金属卤化物蒸气，在热对流的作用下不断向电弧中心流动，一部分金属卤化物被电弧5500-6000K高温分解，成为金属原子和卤素原子，在电场作用下，金属原子受激发发光；另一部分金属卤化物不被高温所分解，在高温和电场的作用下，直接激发形成分子发光。金属元素在电弧高温区受激辐射出光谱后，与卤素一起向管壁低温区运动，当温度达到某值后卤素与金属原子重新化合成金属卤化物分子。然后卤化物又因浓度梯度向电弧区扩散，往复循环。 2.2 原子发光原理 原子由原子核和核外不同能级的电子构成，如图4。当原子受高速电子或者其他带电粒子的撞击后，根据能量守恒定律原子内能增加，能量传递给原子内部低能级轨道上的运动电子，电子能量增大向高能级跃迁成为激发态的电子。当电子能量大到足够脱离原子核引力的束缚时（Ee大于原子最低逸出功）原子变成带电粒子；当Ee大于原子最低逸出功时，电子跃迁到高能级上，由于在高能级上的原子存在时间极短，然后把所吸收的能量通过光子的形式辐射光然后返回基态。按照电磁理论，光是一种电磁波并具有一定的波长和频率波长在380nm-780nm范围的电磁波能为人眼所感知而引起视觉，这一波长范围内的电磁波被称为“光”或者可见光。波长、频率及光传播速度c之间满足关系：= c 按照爱因斯坦的光量子假设，光具有粒子的特性，其能量E与频率f之间满足以下关系： E = h 上式中：h=6.610-34JS。为普朗克常数，人们把具有能量的光量子叫做光子。 又因为=c/所以有如下等式成立： E= h=h（c/）上式中光速c=3108m/s是一个定值。因此可以推算出光子的能量与频率成正比与波长成反比。根据原子受激跃迁能量守恒定律有如下关系成立： Ee（激发态） e（基态） + 光子辐射能量从关系式可以得出，原子跃迁的能级越高最终转变为光子辐射的能量越强。由于原子具有无限多个能级，不同能级之间的跃迁光子发射的波长不同。如果波长的范围在380nm-780nm范围之内就能被肉眼所能感觉产生视觉效应。如果波长范围不在可见区将不被肉眼所感觉但可以通过仪器测量。 虽然原子受激发可以在不同能级之间跃迁，但不是所有能级之间都能够跃迁。以图5为例，某原子能级跃迁可能就局限于E0到E4、E0到E2、E2到E4。其余能级之间不能跃迁，也就是说出此以外的能级之间时不能以光子的形式辐射出能量。不同原子辐射的波长在380nm-780nm之内的可见光颜色均不相同，如果以更高分辨率的线状光谱而言，同种原子在不同波长的光也不同。但实际上以连续光谱为研究对象，同一种原子发射的可见光以特征光谱为主要颜色，而不同能级之间的辐射波长不同所导致可见光颜色比主颜色偏淡或者偏浓。钠原子受激辐射的可见光波长在589nm为纯黄光但是由于不同能级之间存在不同线状光谱因此在大于555nm小于595nm之间都为黄色光带，只是以589nm为中心越向两边黄光偏淡而已。正是利用原子受激辐射发光颜色受能量和不同原子特征光谱的影响，金卤灯可以通过选择不同金属元素的金属卤化物来达到控制光源色温的目的。 3 金属卤化物 不同能级的原子或者不同原子受激辐射发光的颜色不同。对金卤灯而言只要控制光源中红橙黄光辐射总能量的比重就可以得到不同色温的光源。目前行业中所使用的金属卤化物配比都以控制金属卤化中钠元素的比重来控制色温。 4 金卤灯色温偏差原理 金卤灯正常工作时，电弧管腔体中气压和电弧区域各原子浓度均稳定。当电路处于工作状态时两电极之间形成较强的点电场,电弧区域内游离带电离子在电场中做加速运动。由于在电弧管腔体中分布着游离的金属原子、卤素原子和汞原子,因此在离子运动的轨迹当中会与游离金属原子发生非弹性碰撞。离子在电场中加速运动的能量E（离子）=1/2m（离子）v+E（初能量）（带电离子在电弧区域不断与原子发生碰撞而失去能量同时又不断在电场中加速运动获得能量，当带电离子与原子发生非弹性碰撞时E（初能量）0，发生弹性碰撞时E（初能量）= 0。E（初能量）为带电离子与游离金属原子发生能量交换后剩下的小部分能量）。根据能量守恒定律满足如下公式: E (高能离子) + 游离原子 = E (低能) +激发态原子(高能)1E (低能离子) + 游离原子 = E (低能) +激发态原子(低能)2如果离子在电场中加速后获得足够大的能量将满足如下关系式:Ee(高能离子) +游离原子 =E (低能) + e +金属正离子 3当离子在电场中获得较高能量后满足关系式（1）或者伴随关系式（3）。满足1式，激发态原子跃迁的能级高从而辐射高能量光子，所对应的光波长偏短色温偏高。当离子在电场中获得比较低的能量后满足关系式（2），则发出的光色温偏低。 根据以上分析可以得出金卤灯发光色温的高低来自于电场中带电离子所获得的能量。满足如下关系式：E（离子）= 1/2m（离子）V+E（初能量） 4 V = 1/2at 5 a = F/ m（离子） 6 F = E 7由(4)、（5）、（6）、（7）得出：E（离子）=1/2（E）/ m（离子）t+E（初能量） 8m（离子）为带电离子重量，V为例子在电场中加速运动直到与金属原子碰撞时的末速度，a为带电离子在电场中运动的加速度，t为带电离子在电场中加速运动的时间（带电离子与游离原子发生非弹性碰撞后在电场中加速运动直到与下一原子发生碰撞的时间），F为带电离子在电场中受到的电场力，E为电场强度（两电极之间为点电场，为了便于计算因此模拟为匀强电场），为带电离子的电荷量(单位:库伦)。带电离子种类不变， m（离子）、不便。电场强度E主要受电极之间的距离和输入电压影响，在极距和电压波动范围内电场强度E变化不大可以模拟为定值。带电离子与金属原子进行能量转换过程中E（初能量）所产生的影响较小，因此也可以看做一个定值。由（8）式可以得出E（离子） t，即带电离子能量与加速运动的时间成正比。 什么因素影响带电离子在电弧区域加速的时间t呢？带电离子在 电场中做加速运动的轨迹上会分布一些游离金属原子，其中可能是汞原子-也可能是金属原子。以图6为例：表示带电离子与金属原子发生三次碰撞的情形，假设在发生三次碰撞的总时间为T，那么带电离子在三次碰撞后再加速运动的平均加速时间t=T/3。当这些分布的金属原子在带电离子运动轨迹上出现的频率偏小时，如果在同样时间T内图6中带电离子只与金属原子发生2次碰撞时那t=T/2；这些分布的金属原子在带电离子运动轨迹上出现的频率偏大时，如果在同样时间T内图8中带电离子只与金属原子发生4次碰撞时那t=T/4。游离金属原子在带电离子运动轨迹出现的频率来自两个因数：1.同样电弧管腔体体积时，来自于游离金属原子的数量多少的影响，也就是填充的金属卤化物量或者汞量。游离原子数量多时游离原子浓度偏大，出现频率偏大；量少则频率偏小。2.同样电弧管腔体体积和填充物的数量，来自电弧管内部温度得影响，温度偏高游离原子活性增强，热运动加速，在单位时间内将会出现在更多的位置，在带电离子运动轨迹上出现的频率增大；反之则出现频率偏小。综合以上分析可以得出：影响金卤灯发光色温波动的根本原因来自于游离原子的浓度和电弧管内部温度，或者因电弧管内部温度分布不均导致游离金属原子浓度波动。 5 金卤灯光源色温的控制 事实告诉我们填充某标准色温的金属填充物金卤灯在后期制作完成后色温存在较大偏差。如何能够更好控制金卤灯色温已经成为同行业一致追求的目标。金卤灯在制作过程中每一个工序参数都与色温有着密切的关系。笔者曾对70W石英金卤灯色温做过数理统计分析：跟踪70W5000K（稀土系列）、70W4000K（钪钠系列）2个规格的电弧管各100组，按照一一对应的原则，分别测量出：电极之间的距离（极距）、电弧管腔体长度（碗距）、粉界（图8）、涂粉重量、电弧管（涂粉之前）正视面和俯视面图片（如图7）、成灯管压（稀土系列成灯为G12，钪钠系列成灯为双端）、成灯色温。 图7石英金卤灯电弧管平面图 按不同规格分别计算其与成灯相关系数。 70W5000K稀土系列： 色温与极距相关系数： -0.223 色温与碗距相关系数： -0.166 色温与粉界相关系数： 0.295 色温与粉重相关系数： -0.1 色温与成灯管压相关系数： -0.3 极距与管压相关系数： 0.4370W4000K钪钠系列： 色温与极距相关系数： -0.2 色温与碗距相关系数： -0.14 色温与粉界相关系数： 0.21 色温与粉重相关系数： -0.27 色温与成灯管压相关系数： -0.29 极距与管压相关系数： 0.54 从数理统计的角度分析，当两组数据相关系数达到0.1时表明两组数据具有一定相关性，当相关系数为1时表明两组数据为绝对相关。当相系数为负值时表明两组数据成负相关。 从数据上可以得出与色温具有相关性项目中：色温与成灯管压相关性最大而与其他因素之间相关性则较弱，要把色温波动控制在一个较小范围首先得把管压波动范围控制小。管压与色温没有绝对因果关系，管压也受电弧中游离原子浓度和温度影响，由于测试色温相对于测试管压来说费时且设备要求较高，因此可以通过观察管压来达到推测电弧管内部温度和游离金属原子浓度。管压只是一个结果，要真正控制好色温应该在电弧管制作过程中控制好距离、碗距、粉界、粉重、成灯充气气压、电弧管腔体外形、电极同轴度、电极处于腔体中的位置。成灯充气气压：金卤灯电弧管需封装入密闭玻壳内，然后根据要求在玻壳中充入氮气或者氮氩混合气体，充气量以气压计量。5.1 管压波动与色温偏差 金卤灯特性：多数情况下管压偏高的灯色温偏低，管压偏低而色温偏高。同一规格金卤灯功率受腔体体积和两电极之间的距离所决定,当两个条件都满足而且并不不变时金卤灯功率满足如下公式：P=UIa。a为功率因数受镇流器影响,可把它看着一个不变量不做分析。在功率确定不变的情况下电流与电压成负相关,即灯电压偏低时电路中电流偏大;灯电压偏高时电路中电流偏小。从分析中得出金卤灯管压高低直接受电路中电流大小的影响。何为电流?物理学上如下定义:电路中电子定向移动形成电流,单位时间内电子从负发出到达正极的数量决定电流的大小。凡气体放电灯都有一个共同的特点,由于需要通过电弧产生高温使金属原子受激发光因此电路在两电极之间为开路。在金卤灯工作电路中电流的大小取决于电弧中离子到达两电极的数量。 图9电弧区域电子运动轨迹取电路工作中某段时间T内从负极发出的一个电子在电弧区域中运动轨迹作为研究对象(金卤灯工作电路为220V交流电,即在0.02秒时间内两电极之间正负极性将变换一次,为了便于更形象研究电弧中电子的运动轨迹，T的取值为小于0.01秒从而保证在这个时间段内两电极之间的正负极性不变)。 如图9为金卤灯电路工作时灯电弧区域模拟图,其中又分为高管压和低管压时电弧区域状态图。结合2.1节图3,当电路处电极之间形成较强的点电场,电子从负极发射然后在电场中做加速运动。由于在电弧管腔体中分布着游离的金属原子、卤素原子和汞原子,因此在电子运动的轨迹当中就会与游离金属原子发生非弹性碰撞。从图中低管压时电弧区域原子分布可以看出电弧中游离的金属原子较少,同时与游离原子发生碰撞的几率较少,电子在电场中加速运动能够获得较高的能量,满足4.0节中关系式(1)或(3)。如果仅满足关系式(1)时高能激发态的原子发出波长较短的特征光谱,且在时间T内电子能够迅速到达阳极,因此电路中电流偏大而管压偏低；如果电子能量大到可以电离金属原子时满足关系式(2)使整个电弧区域游离离子最多而直接增大电流。低管压时电弧区域原子分布可以看出电弧中游离的金属原子较多,同时与游离原子发生碰撞的几率增大,电子在电场中加速运动能够获得的能量较低,满足(2)关系式:低能激发态原子不会发生光辐射或者发出波长较长的特征光谱,且在时间T内电子不能到达阳极或者需要几倍T时间才能到达阳极，因此电流偏小管压偏高。虽然管压与色温相关性较强，但金卤灯管压与金卤灯色温没有绝对的因果关系,管压只是反馈电弧管内部游离金属元素的一个参考数据。灯管压偏高表明电弧管中游离原子浓度偏大,色温比理论设计中的色温偏低；灯管压偏低表明电弧管中游离原子浓度偏小,色温比理论设计中的色温偏高。要控制好色温首先得把管压控制好，而管压又受填充汞量的影响较大，因此控制好汞量才是保证色温一致性的先决条件。 5.2 极距对色温的影响 5.2.1 极距与电弧管功率成正相关。高压气体放电灯在发光的同时也产生大量热量，功率越高产生的热量越多，因此电弧管内部温度就越高。 5.2.2 如图11为标准电弧管温度均匀分布图，电弧管腔体整体形状不变情况下，如果电极偏长将使两冷端高于设计温度极限，破坏电弧管内部温度平衡，也可能导致色温偏高或者偏低。 5.3 碗距对色温的影响 碗距控制基本局限于石英金卤灯，功率越小的灯对碗距地变化越敏感。碗距偏长导致冷端偏长，大量金属原子以液态金属卤化物形式聚集在冷端降低电弧区域游离金属原子浓度，从而色温偏高；反之色温偏低。（当金属卤化物变成液态时，金属卤化物分子不再遵循浓度扩散原理） 5.4 粉界和粉重对色温的影响 石英金卤灯灯涂粉工序是为了提高电弧管冷端温度的一种保温措施，因此粉界和粉重对电弧管内部温度变化影响较大。电极螺旋圈末梢到腔体底端之间的区域叫做冷端，如图7。冷端是电弧管腔体中温度最低的区域，为了提高这里的温度达到均匀电弧管内部温度的目的，因此在电弧管冷端处涂上热红外反射层（如图10）。（通过反射层可以把电弧发出的热量多部分反射到冷端，少部分则透过粉层散热。粉层以外的区域则把大部分热量透出而反射进少部分热量。）受电 图10电弧管热量传递示意图弧管光电参数和制造材料的影响，石英金卤灯设计上有一个最佳保温温度，因此要严格控制粉层厚度和粉界（图8）。粉层的厚度一般无法计量所以通过粉重来控制（从理论上讲同样表面积的粉界，粉越重粉层越厚）。粉重值越大表明粉层越厚，透过粉层的热量越少而反射回热量越多；粉界越窄，涂粉区域越宽，反射回电弧管内部的热量越多；反之则电弧管冷端温度偏低。 5.5 成灯充气气压对色温的影响 热量传递需要介质，如果充气压力高则表明电弧管外玻壳内有大量游离气体分子，气体分子越多单位时间内将带走电弧管表面更多的热量到玻壳壁然后透过玻壳散热掉；反之则电弧管表面温度将聚集在电弧管整个表面，导致电弧管温度升高。外泡壳气压多少直接影响电弧管内部温度，这也是影响电弧管色温的一个比较重要的因素。 5.6 两电极之间类似一个点电场，等势线成圆弧状。带电粒子在点电场中的运动轨迹为垂直于电场等势线，因此电弧边界形状为一个弧形（如图11）。电弧是热源，以电弧为体积中心，温度分布为椭圆形并向外扩张（如图12）。为了达到热量均匀的目的，电弧管泡壳理论上设计为橄榄形，并且两电极完全同轴且处于电弧管腔体体积中心。 图11电极之间电场等势线 图12电弧管腔体内部温度分布5.6.1 电极偏斜对色温的影响 电极不同轴或者不处于电弧管腔体体积中心一旦电极不同轴发生偏斜或者不处于腔体体积中心区域将导致电弧发生偏斜，而温度在电弧管中的分布将不均匀。金属卤化物是以固体状态填充，当温度达到某值时经过变成液态最后变成气态金属卤化物分子。只有气态的金属卤化物才遵循浓度扩散