浅析HID电弧管发黑问题.doc

本论文发表于“中国照明电器”杂志第6期浅析HID电弧管发黑问题 糜渊若 赵军伟 （浙江宇光照明科技有限公司，浙江 绍兴）摘要： 本文主要探讨汞灯、金卤灯、钠灯电弧管使用过程中管壁发黑问题。以物理化学变化为理论基础，以电弧管使用后期发黑和电弧管初次燃点发黑为研究对象，再结合电弧管生产工艺流程分析管壁发黑的根本原因。为解决电弧管管壁早期发黑寻求最佳方法。关键词：钨 氧化钨 电极 溅射 前言： HID是高压气体放电灯的英意缩写，主要包括汞灯、金卤灯、钠灯。因其具有高光效、小体积、高显色性（仅局限于金卤灯）、高寿命等优点，目前成为商业照明的主要产品。HID光源属于有电极光源，电极的耗损、性能好坏直接影响灯的整体性能。无论是HID光源，还是早期的白炽灯或者节能荧光灯，电极与管壁发黑有着直接的关系。1 . 电极材料目前照明行业中电极的首选材料基本都是钨（包括：早期白炽灯、节能荧光灯、HID光源）。钨是当前发现的所有金属中熔点最高（3800K），蒸汽压力低、电阻小、导电性能强和热膨胀系数小等特点，因此钨是HID光源电极的主要材料。 2 . 电极在电弧管中的工作原理 气体放电灯电极工作原理基本都一样，启辉时通过电极预热放电，待电流稳定后进入自持放电状态。如图1为金卤灯电极。 钠灯、汞灯、金卤灯电极外形基本一样，但是构造和相关混合物质上却有一定差异。由于HID光源要求电极具有较低的电子发射性能，选折钨作为电极材料是因为它具有高熔点，但是纯钨电极电子发射逸出功比较大，用纯钨作为电极启动性能较差。因此需要在电极中添加一定的催化剂来降低钨的电子发射逸出功。汞灯电极：由于汞灯电弧管中添加的为汞（Hg），汞是一种化学性质比较稳定的金属，因此在汞灯电极上涂抹电子粉(氧化钡)来达到降低电子发射逸出功的目的。钠灯电极：钠灯电极与汞灯电极一样，在电极上涂覆电子粉来降低电极发射电子的逸出功。金卤灯电极：在汞灯中工作得比较好的氧化钡型电极在金卤灯中就不能用，金卤灯填充物中的卤素会与钡、盖氧化物反应使金属变成卤化物而迁移走，这将导致卤素和电子粉都会受到严重损失，同时氧化物中的氧会与钨结合生成氧化钨加快电极耗损。试验发现在电极中添加氧化钍可以达到降低电子逸出功同时又能稳定工作，因此目前国内HID照明行业使用钍钨电极。电极预热放电过程（辉光放电）是电极头损耗最大的时候，同时也是电极主要损耗的过程，当电极进入自持放电后（弧光放电）电极主要提供一个电弧的承 图2耗损的电极 载体。启辉时电极主要靠电极头向外发射电子。由于长时间的启辉，导致电极头钨原子大量溅射，电极头部会出现明显耗损（如图2）。在电极工作的整个过程中电极头性能是影响电极好坏的主要因素。无论是汞灯、钠灯电极还是金卤灯电极，其电极特性都以钨特性为主。 3 . 管壁发黑与电极性能 电弧管寿命直接取决与电极头的寿命，电极头在工作当中会不断耗损，当耗损程度达到某种程度时电极热电子发射性能将成指数下降直到不能发射电子为止。电弧管一旦不能发射电子，那么将不能启动以至于点亮。而电极在耗损过程中就会通过电弧管壁发黑体现出来，电弧管发黑有两种不同的形式：分别为电弧管使用后期发黑和电弧管初次燃点发黑。 3.1 电弧管使用后期发黑 3.1.1 概念什么叫“电弧管使用后期发黑”？就是说电弧管发黑不是在特定时间特定环境下突然发生的使电弧管管壁发黑的一种现象，而是经过长时间的积累后体现出来且能够让视觉感知到的管壁发黑现象。此现象在钠灯、汞灯、金卤灯或者所有有电极气体放电灯中都会出现。3.1.2 对于气体放电灯来说，在启动的那一瞬间，电极会经历一个瞬间高压和非常高的变化温度T。在业界称这个过程为阴极热电子发射（辉光放电）。在电路中都需要对电极先进行预热，从而达到缩小T。但是由于镇流器性能参差不齐，多数情况下电极预热程度不够，电极在高温差和强电场双重作用下，在向外发射电子的同时也会溅射大量的钨原子。（对于气体放电灯来说，在启动之前都需要对电极进行预热，以达到降低T的目的）在灯启动时（辉光放电），电子在强电场中高速运动下会猛烈撞击处于正极的电极，从而导致电极头向外溅射钨原子（照明电器使用的是220V交流电，两电极会轮流显正而遭到电子的轰击，因此两端电极的受损程度几乎一样）。虽然在电弧管中充有一定比例的气体来压制钨原子的溅射，但是毕竟不能完全压制钨原子溅射，还是有较少部分原子脱离电极实体挥发出来凝结到电弧管壁上（为了满足启动的最小要求，电弧管填充气体不能超过某值，同时电弧管在启辉时腔体的汞还以固态的形式存在，因此总体来说在启动时电弧管腔体内部游离的原子还是比较少）。对于高压气体放电灯来说，每一次启辉都会造成微量的钨沉积到电弧管壁，当电弧管壁上的钨沉积到一定程度时，就能够通过肉眼看出电弧管两端管壁上有黑色的沉积物。 每次平均沉积到电弧管壁上的钨越多，表明电极耗损越严重，电弧管的寿命越短。当电弧管表面沉积的钨已经能够明显感觉发黑时，还将会严重影响灯泡的光通量。因此电弧管使用后期发黑是一个严重问题。3.1.3 应对方案 电弧管使用后期发黑，是不可能杜绝的一种正常的电极耗损现象。只要是有电极的光源最终都以电极消耗而终结寿命。目前唯一能够做的就是尽量降低每次启辉时钨原子溅射量，从而延长电极耗损的时间。有以下几个方面的途径可做参考：1） 应选择纯度更高的电极材料。电极中除了加入一定比例的氧化钍（ThO2）以外尽量提高钨的纯度，以防止其他金属原子大量的溅射造成管壁早期发黑。2） 在满足潘宁效应（氩汞比）的条件范围内，在不明显影响电弧管启动的前提下可以适当增加电弧管内部的填充气体（一般金卤灯、汞灯填充纯氩，钠灯填充氙气）。通过大量游离的气体原子来达到压制钨原子溅射的效果。3） 选择性能优越的整流器和触发器，缩短启辉时间（辉光放电时间），满足电极预热要求。3.2 电弧管初次燃点发黑3.2.1 概念 电弧管初次燃点发黑与电弧管使用后期发黑虽然都与电极有直接的联系，但这两种现象是截然不同的两种原因所致。 电弧管初次燃点发黑就是电弧管在制作完成后首次燃点，在电弧管壁两端上凝结有黑色的物质。3.2.2 氧化钨由于钠灯在制作工艺上与石英金卤灯和汞灯不同（钠灯是在充满高纯氩气的手套箱中通过电加热玻璃焊料的形式来密封电弧管，金卤灯和汞灯都是在空气中操作并且通过天然气加热），因此一般不会出现电极氧化的情况，同时钠灯电弧管在进行生产之前还需要在氢气中高温焙烧电极以达到除去电极表面氧化物的目的。电弧管初次燃点管壁上的发黑物质不是钨，而是氧化钨。电弧管初次燃点发黑基本多发生在汞灯和石英金卤灯上。3.2节主要针对汞灯和金卤灯电弧管引入关于电弧管壁发黑或者发蓝的相关知识。钨在不同氧气含量的条件下会生成不同的物质，如下关系式： 2W + 3 O2 = 2W O3 W + O2 = W O2 4W + 5 O2 = 2W2 O5 式中生成的物质是三氧化钨（W O3），浅黄色颗粒物质。反应比例为一个钨原子需要1.5个氧分子才能生产一个三氧化钨分子。 式中生成的物质是二氧化钨（W O2），棕褐色物质。反应比例为一个钨原子需要1个氧分子才能生产一个二氧化钨分子。 式中生成的物质是五氧化二钨（W2 O5），浅蓝色物质。反应比例为一个钨原子需要对应5/4个氧分子。 从上面的分析中可以得出如下结论： 由于在电弧管加工过程中引入的是微量的氧，因此一般都发生2和3两反应，而只有电极在充足的氧气中燃烧时才会生成三氧化钨，对于电弧管加工中微量的氧而言绝不会发生1反应。这在实际生产中也可以得到论证。 同样含量的氧，当电极高温区域较少时发生2反应生成棕褐色的二氧化钨；当电极高温区域较多时发生3反应生成浅蓝色的五氧化二钨；或者两者都存在，颜色为深蓝色。 同样面积的电极高温区域，当氧含量较高时发生2反应生成蓝色的五氧化二钨；反之则发生3反应生成棕褐色的二氧化钨；或者两者都存在，颜色为深蓝色。 综合以上分析可以得出：相对来说氧化比较严重时氧化物为蓝色五氧化二钨，轻微氧化时氧化物为棕褐色二氧化钨。 3.2.3 电极氧化成因分析和解决方案 氧化钨是如何产生的?这涉及到电弧管制作工艺相关环节和电极质 量问题。要分析其中的原因必须弄清楚纯钨生产氧化钨的前提条件：1) 钨需要处于高温条件下。2) 需要氧气。 电弧管制作过程中高温环节有如下几个环节：1) 初次燃点（启辉时会经历一个瞬间高温过程）2) 压封（金卤灯、汞灯）电极处于高温环境。3) 烤管（金卤灯）电极处于高温环境。 电弧管制作过程中氧来源有如下几个环节：1) 在电弧管形成的整个工艺过程中都用工业纯氩做保护气体和填充气体。由于没有绝对纯度的氩气，因此在以上各高温过程中都可能引入氧元素，只是含氧量多少的问题。2) 空气渗入。3) 电极在压封之前已经被氧化。 首先假设电极是在初次燃点时瞬间高温与电弧管内部的氧发生氧化反应所致。从理论上讲这绝对可能，但是笔者在实际生产中做了如下实验来验证假设是否成立： 在一个月内连续抽取生产线上老化后电弧管两端发黑或者发蓝的金卤灯电弧管100支（前提是能够正常点亮），对这100支电弧管做最小电压和尖峰电压测试，结果发现最小电压和尖峰电压全正常。从这个结论得出：假设基本不会成立，因为金卤灯填充的金属卤化物是极易与氧发生氧化反应的活性物质，当电弧管内部的氧都能够氧化电极的时候那绝对已经破坏了金属卤化物，通过测试尖峰电压和最小电压就能判定电弧管内部气氛好坏。因此最终得出就是，电弧管在初次燃点时电极与氧反应这种假设不成立。其次分析压封和烤管这两个过程是否是导致电极氧化的原因。1) 当氩气的流量不够，势必会造成空气渗入导致电极氧化。2) 无论多纯的氩气都含有一定的氧，当氩气的流量远超出阻止空气渗入的作用时，那么在同样的时间里势必增大氧的摄入量，也导致电极在压封和烤管两环节发生氧化。3) 电极压封后还处于高温时就拔掉保护气管进入烤管工序，这也会导致电极与空气接触而氧化。4) 氩气本身的纯度也是一个重要的方面，如果纯度不高，势必会增加电极氧化的几率。氧化钨的气化温度为850左右，也就是说只要电极温度达到850氧化钨就会直接由固态变为气态然后凝结到电弧管两端的管壁上，在电弧管启辉时很容易达到这个温度，同时由于电子的溅射碰撞也会把钨表面的氧化钨撞出凝结在两端石英管壁上。这就是为什么电弧管首次点燃启辉后电弧管壁上就留下黑色物的原因。（在这里需要强调一点，氩气中氧含量非常少，完全用ppm单位来进行描述，因此只有微量的氧与电极产生反应。生成的氧化钨附在螺旋电极表面，由于螺旋电极的特殊构造，只有不到1/2的表面积暴露在视线范围内，又因为电极较小且有钨本身的金属光泽做衬托，因此很难通过肉眼分辨电极是否氧化）鉴于以上的分析和笔者做过的试验可以得出：电弧管制作工艺中压封和烤管两个环节是导致电极氧化的主要原因之一。 电弧管初次燃点后，如果在电弧管的一端管壁发黑或者发蓝时，表明电极在压封环节上出现氧化；如果电弧管两端管壁上都出现发黑或者发蓝，表明主要在烤管环节出现电极氧化，同时不排除压封时严重失误导致电极氧化。最后分析原材料。电极活性相对来说属于惰性金属元素的范畴，钨在常温下不会与氧气发生反应，但是电极在生产过程或者储存运输过程中难免会遇到高温和与水分接触，