浅谈HID电弧管管壁壁启辉变色现象.doc

浅谈HID电弧管管壁启辉变色现象赵军伟 （浙江宇光照明科技有限公司，浙江 绍兴）摘 要 电弧管启辉实际就是电弧管短暂点亮，一支透明清澈电弧管往往会在启辉瞬间后从表面上观察其腔体壁变得乌黑，而电弧管点灯时间稍微长（一般以电弧管两端电压稳定为准）后关灯却不会出现这种现象。此现象为简单的物理分子热运动学现象，通过对此现象的剖析得出科学的分析结论。关键词：比热容 温度差 挥发 冷凝Brief analyses on HID arc tube wall instant start and color phenomenon Junwei Zhao(Universelite Co., Ltd. Shaoxing, Zhejiang)Abstract：Instant start of the arc tube actually is that the arc tube lights for a short time and the body wall of a transparent and clear arc tube often becomes jet black apparently after instant start. While it lights for a longer time (generally after the voltage stability on two ends of the arc tube) before being cut, the phenomenon does not appear. The phenomenon shows simple physical molecules hot motion, and the paper aims to draw a scientific conclusion through the analysis of the phenomenon.Keywords: specific heat capacity, temperature difference, volatilization, condensation前言：HID照明，主要包括：汞灯、钠灯、金卤灯。HID电弧管壁启辉变色现象是行业中最常见的一种正常电弧管管壁变色现象，此现象仅仅是电弧管内部填充物物理变化的结果。虽然这种现现象不会对电弧管的本来的特性造成任何影响，但是因为其结果直接导致电弧管外观的评判标准，同时对于HID行业常见的一种物理现象，作为技术人员应该知道其中的真正的理论原因。 1.0 管壁启辉变色的关键物质水银 水银是高压气体放电灯光源中不可缺少的重要材料，在汞灯中水银是参与发光的唯一物质而在钠灯和金卤灯中虽然不直接参与发光但是他为电弧管提供了高的气压。水银是当前所有金属中蒸汽压最高的物质，蒸汽压越高表明此物质在吸收相同的热量后更容易从常温状态变为气态，同时在钠灯和金卤灯中水银的比重是所有金属填充金属的1/2或者更多，因此对于电弧管启辉管壁变色这种纯物理现象来说，基本都是水银的物理变化所导致。 2.0 启辉管壁变色现象 电弧管的启辉性能是HID光源一个重要的参数，因此电弧管启辉环节相当必不可少。电弧管启辉管壁变色最轻微的要属汞灯，最明显的要属于小功率金卤灯（150W以下）和钠灯。电弧管启辉后在电弧管两端靠近电极的管壁上出现一层灰色的物质，由于钠灯电弧管的透光率较低，因此在钠灯启辉后靠近电极两端管壁上感觉就发黑。这种情况刚好又与HID电弧管电极氧化后的结果相当一致。在整个过程中引起电弧管壁启辉变色现象的物质是水银。水银蒸汽压比较高，在电弧管启辉的瞬间（辉光放电），大量电子碰撞电弧管内部的气体（氩气或者氙气）会产生一定热量，在这个瞬间热量下水银很快挥发成为水银蒸汽，由于启辉时间较短（一般为1-2秒）当启辉过程结束后，由于失去了热源，水银蒸汽很快就会凝固到温度较低的管壁上，而此时水银蒸汽弥漫在电极两端范围内，因此电弧管管壁出现启辉变色都发生在靠近电极两端的管壁上。 3.0启辉管壁变色理论分析3.1电弧管升温原理分析 这个现象就是一个简单的物理热力学现象，它涉及到热学中物质比热容相关知识。 比热容定义：设有一质量为m的物体，在某一过程中吸收（或放出）热量Q时，温度升高（或降低）T，则Q/T称为物体在此过程中的热容量（简称热容），用C表示，即C=Q/T。用热容除以质量，即得比热容c=C/m=Q/mT。对于微小过程的热容和比热容，分别有C=dQ/dT，c=1/m*dQ/dT。因此，在物体温度由T1变化到T2的有限过程中，吸收（或放出）的热量Q=(T2,T1)CdT=m(T2,T1)CdT。 一般情况下，热容与比热容均为温度的函数，但在温度变化范围不太大时，可近似地看为常量。于是有Q=C(T2-T1)=mc(T2-T1)。如令温度改变量T=T2-T1，则有Q=cmT。在上面的内容中已经提到导致电弧管壁变色的物质就是水银，假如在电弧管启辉的短暂几秒时间产生的热量为Q总，电弧管在常温下管壁（石英/陶瓷）和水银的初始温度都为T1。如下公式： Q总=C(T2-T1)=mc(T2-T1). T2= T1+ Q总/CC石英= 0.6710J/(kg) C水银= 0.1410J/(kg) C陶瓷= 0.8410J/(kg ) (在以上式子中 T2表示物体的末温度，T1代表物体的初始温度) 在启辉的瞬间，热量充满整个腔体，因此可以确定此时作用在电弧管管壁和和电弧管内部填充物上的热量相等，即为Q总。C水银 C石英 C陶瓷，结合关系式2可以推导出末温度T2（陶瓷）T2（石英） T2（水银）。也就是说，在电弧管燃点阶段，管壁的升温相对与水银和其他技术填充物来说相对缓慢，同样时间同样热量下，陶瓷管和石英管的最终温度都比水银蒸汽温度低许多。当启辉瞬间结束后，石英管壁温度相对来说要比蒸汽温度低，根据气体热运动学（高温区域向低温区域运动）水银蒸汽向温度低的管壁运动，然后就凝结在石英管壁。因此透过石英管壁或者透光性不好的陶瓷管壁就感觉电弧管变成灰色或者是褐色。150W以下的石英金卤灯，由于腔体长度相对来说比较短，因此启辉变色的区域几乎占整个电弧管空间。大功率的金卤灯，体积相对比较大，同时长度与直径的比值相对较小，因此启辉瞬间的热量不能使太多的水银或者其他金属填充物汽化，这就是大功率的金卤灯在启辉后管壁变色的现象相对小功率的较轻微的原因。钠灯电弧管长度与管径的比值在HID光源中最大，因此无论是小功率还是大功率的电弧管在启辉后都会在电弧管管壁上留下冷凝的水银，只是随着功率的增大，这种现象越靠近电弧管两端而已。3.2电弧管降温原理分析电弧管启辉变色的电弧管为何在点灯时间长一点（以电弧管电参数稳定为参考标准）关闭电源，电弧管冷却后却不会出现水银凝固在电弧管管壁上？这个现象也可以用以上的比热容来进行解释。当电弧管工作达到稳定后，由于电弧管内部金属填充物几乎以蒸汽形态存在于电弧管腔体内，由于热量的对流作用，此时电弧管管壁温度约等于腔体气体平均温度，设定为T（高），同时此时的总体热量定为Q（高）。当电弧管停止工作后温度降低，在相同时间把电弧管管壁降低的温度定为T（管壁）、汞蒸汽降低的温度定为T（水银）。有如下关系式： Q（高）=C（石英/陶瓷）*（T（管壁）-T（高）. Q（高）=C（水银）*（T（水银）-T（高） 对于以上式子中（T（石英/陶瓷）-T（高）、（T（水银）-T（高）值为负数，因此为了便于计算分析，取其绝对值。对.两等式运算，由于C水银C石英，那么只有（T（石英/陶瓷）-T高） T（水银），也就是说相同时间内从相同热量环境下开始降温，电弧管管壁降温比水银蒸汽慢（也就是比汞蒸汽慢）。在这种状态下，金属蒸汽就