第八章金卤灯

光源原理与设计—金属卤化物灯

诸定昌

第八章金属卤化物灯MetalHalideLamp8.1金卤灯的基本原理光源原理与设计—金属卤化物灯

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一.灯的基本结构与工作原理1.外观与HPM基本相像2.填充物Ar(Ar+Ne)几十托启动气体Hg几个atm缓冲气体MXn几百帕发光物质~几千帕3.启动过程光源原理与设计—金属卤化物灯

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4.输出光谱稳定下PHg/PMXn=100∵Pλ=nλhυ/τ∴Pλ=n0hυe-eVex/KT又∵nλ=n0e-eVex/KTgλg0gλg0/τ=CP0e-eVex/KT=CP0e-11600Vex/TPλM=CMPMe-11600VexM/TPλHg=CHgPHge-11600VexHg/T光源原理与设计—金属卤化物灯

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∵CMCHg比起指数项要小很多令=1∴PλMPλHge11600(VexHg-VexM)/T=PMPHg=PMPHge10=2.2×104=220PMPHg虽然主气压贡献是Hg，但谱线主要贡献是金属M。CMCHg光源原理与设计—金属卤化物灯

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探讨：1.光谱输出以添加金属的特征光谱为主2.添加特征光谱为红色区的金属可提高Ra3.添加总辐射能量中50%在可见区的金属，可达到高η的效果η=100Ra≥65光源原理与设计—金属卤化物灯

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二.有效利用金属添加剂的条件Tw=1000KP≥100Pa金属SrMgZnCdCs后发觉PMXn(Tw=1000K)≥100Pa一般都用碘化物，少量用溴化物光源原理与设计—金属卤化物灯

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1.管壁温度下，有确定的蒸气压（P≥100Pa）有碘化物，少量溴化物满足2.Tw下稳定，T0区域分解MXnM+nXT0TwT≥2500K下，碘化物和少量溴化物分解T≤1000K下，碘化物和少量溴化物稳定3.Tamb卤化物的蒸气压尽量低MXn负电性光源原理与设计—金属卤化物灯

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三.金属卤化物添加剂的种类铍砷硒剧毒铜银金Tw不太稳定钙锶钡极少量稀土金属Tw下P偏低硼铝Tamb下P太高启动电压高每二种：有1225类每三种：有19600类每四种：有230300类除去50余种金属卤化物可用光源原理与设计—金属卤化物灯

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1.按光谱特性要求a)In兰光410.1和451.1nmb)Tl绿光535nmc)Na黄光589.3nmd)Li红光670.7nme)Ga紫光403.2/417.2/358.9nmf)ScDyTn大量线光谱在可见区彩色金卤灯光源原理与设计—金属卤化物灯

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2.依据明要求a)放射特征光谱的若干金属卤化物的组合Na-Te-Inlampb)放射大量密集线光谱的卤化物Dy灯→OsramSc-Na灯→GEc)分子发光（卤化锡，卤化铝），启动电压高e)超高压卤化物蒸气（超高压铟灯）光源原理与设计—金属卤化物灯

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四.金属碘化物对电弧的影响1.电弧的收缩现象添加放射密集线光谱的金属碘化物易造成产生缘由：Vex<<Vi电离主要发生在中心区辐射转移能量使热激发和热电离在靠近ri区下降。一般规律：Vex/Vi>0.585管壁稳定型Vex/Vi<0.585电弧收缩光源原理与设计—金属卤化物灯

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2.电弧的放宽现象碱金属LiNaCs，电弧稳定，I大Vl充量TrNaICsIriTwT0光源原理与设计—金属卤化物灯

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3.添加铟，铊，镓的碘化物，不会引起电弧的收缩缘由：辐射的自吸取效应强金卤灯填充物的配方依据：a.光谱要求：光刻，捕鱼灯，彩色灯b.电弧的稳定性：放宽，收缩c.启动电压要求：加CsI或NaId.光效要求：P(λ)在V(λ)的中心e.Tc的要求光源原理与设计—金属卤化物灯

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五.汞在金卤灯的作用1.Buffergasfunction2.改善电特性无Hg→μe↑→Vl↓→η↓PHg>>PMXn→Vl主要确定于larc与PHg3.降低启动电压a.PenningEffect光源原理与设计—金属卤化物灯

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b.降低自由碘的蒸气压Hg+2I=HgI2I+e→I-HgI2+e→HgI-例：PI2(Tamb)=0.4torr=53PaPHgI2(Tamb)=2×10-5torr=2.7×10-3Pac.充Hg，启动时为低气压光源原理与设计—金属卤化物灯

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一.放电管几何形态的要求1.高的冷端温度（725～750oC）措施管端呈锥形涂保温层（ZiO2,Al2O3）加外壳双端→抽真空单端→充1/2atmN28.2金卤灯的特有问题光源原理与设计—金属卤化物灯

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2.恰当的管壁温度分布充入量较多，液态分布面越高，辐射越强3.恰当的larc/d比值通常larc/d≤（4～5）：1（防止辐射的分层现象）例：ThI4(重)P中等下部辐射强ScI3,NaI(轻)P低上部辐射强TlI3(与Hg相近)P高匀整光源原理与设计—金属卤化物灯

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4.电极压封处有尽可能小的缝隙和端部二.电极结构与HPM相像所用材料既要有好的放射性能，又不能与MXn有化学反应。1.HMP的电极不能用于MH灯BaO+I2→BaI2+O加快电极损耗BaI2→Ba+I2I2接着与BaO反应W+O→WO3易蒸发，管壁发黑光源原理与设计—金属卤化物灯

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2.金卤灯常用电极a）钍钨电极（不与MXn有明显的反应）逸出功2.6eV，用于Sc-NaMHsystemb）稀土氧化物电极（不能用于Sc-Na灯）emitter:Dy2O3,Y2O3逸出功:2.2～2.4eVc）纯钨电极逸出功4.5eV2KW以上MH灯用T电=2500Kd）ThO2电子粉放射性能最好光源原理与设计—金属卤化物灯

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三.金卤灯的启动问题室温下气相卤素原子和卤化物的存在使启动电压较HPM和HPS要高2.工艺流程中引入的氢使启动电压上升氢的危害：H2+Hg*→2H+Hg破坏e+Hg*→2e+Hg+H2+Ar*→2H+Hg破坏PenningeffectHI→H+I,I+e→I-启动电压上升光源原理与设计—金属卤化物灯

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H2的来源：电极烧氢工艺（电极内部有H2）O-H火焰压封卤化物的吸潮灯用材料的OH-的含量3.电极冷却过快而吸附碘化物，使功函数值上升光源原理与设计—金属卤化物灯

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4.解决的途径a）碘化物在Tamb下P最小，尽量用MIxb）尽量限制HgI2的形成[PHgI2(Tamb)=2×10-5torr]方法：充过量的金属充单碘化物杂质：Al2O3+I→AlI3+O光源原理与设计—金属卤化物灯

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c）严格工艺电极接受真空高烧处理药丸填充过程中限制H2O和O的气氛H2O,O<1ppm外泡壳内装吸氢消气剂接受液化气，煤气和plasma火焰接受<1ppm羟基的石英管d）合理的电弧管形态和尺寸合理的电极结构和位置使冷凝发生在电弧对应的石英管部位光源原理与设计—金属卤化物灯

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e）加Vi低的元素（Na,Cs）CsI的四个功能：做施主原子，Vi低，易形成带电粒子稳定电弧可与稀土碘化物形成络合物，从而提高PPScI3(Tw=1000K)=1ScI3+CsI→ScI3.CsIPScI3.CsI=2重复着火电压低f）适当的充量光源原理与设计—金属卤化物灯

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5.启动电压与Tamb基本无关四.金卤灯的重复着火电压Vrei1.卤化物的负电性使Vrei(金)>Vrei(汞钠)2.金卤灯的Vrei随管壁温度上升而变更光源原理与设计—金属卤化物灯

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Tw=2000C下达最大值Tw<200oC低气压Te>>TgI=0时，形成慢电子被吸附Tw=200oCPHgI2此时最大（8torr）形成负离子量达峰值Tw>200oC一方面：HgI2全部气化，不行能再增加另一方面：体现高气压放电特性光源原理与设计—金属卤化物灯

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3.电极的放射性能的下降是造成Vrei上升的主要缘由4.Vrei与污染源种类有关5.Vrei与镇流器的电流输出波形有关text光源原理与设计—金属卤化物灯

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五.有协助电极下的电解现象当协助电极处于正电位，吸取电子流Ie当协助电极处于负电位，吸取电子流IiIe与Ii不等+-由于协助电极在上下半周期收集电子流和离子流的明显不同，造成协助电极相对相邻主电极有平均为60V的负电位，碱金属离子迁向协助电极的钼箔上，引起膨胀系数上升，导致爆斑开裂。光源原理与设计—金属卤化物灯

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解决方法：a）加双金属片，冷时弹开，加热时将两电极导通b）加二极管（实际不接受）（缺：启动时必需为正半周期，温度高不利于半导体工作）c）协助电极位于燃点位置上方光源原理与设计—金属卤化物灯

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六.金属的损失过程1.单端灯的钠损失过程产生缘由：发自支架的光电子在管壁形成的负电场拉出Na+造成电弧管内I的过量。解决方法：1.接受无支撑架结构，或支架远离放电管。2.外壳内充0.5atmN2（防止跳电，不充Ar）光源原理与设计—金属卤化物灯

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2.其他金属的损失a）quartz内各种金属离子的溶解度导致→拉出管外b）光离解使金属与石英反应而损失光源原理与设计—金属卤化物灯

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一.WhyceramicMetalHalideLampcandevelop1).DrawbacksofQuartzMetalHalideLampLimitforEfficacy-VaporpressureVsArctotemperatureRatherpoormaintenanceColorshiftduringlifeColorspreadamongIndividualLampHighIgnitionVoltageChangingduringlifeOther(eg.explosionatendoflife)8.3陶瓷金卤灯2).高Ra值光源的照明效果光源原理与设计—金属卤化物灯

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3).市场的需求：长寿命，高Ra，高稳定性Thesedrawbacksaremostlybroughtbychemicalreactionofquartzandmetalhalideathightemperature,suchasNadiffusionintoquartztube,chemicalreactionofrareearthmetal(Sc)andquartz.二.结构ηRa