第八章金卤灯..ppt

1、,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,Metal Halide Lamp,8.1 金卤灯的基本原理,光源原理与设计金属卤化物灯,诸定昌,一. 灯的基本结构与工作原理,1. 外观 与HPM基本相似,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,诸定昌,4. 输出光谱,稳定下 PHg/PMXn=100,P=nh/,P=n0 h e-eVex/KT,又n=n0 e-eVex/KT,g,g0,g,g0,/,=CP0 e-eVex/KT =CP0 e-11600Vex/T,

2、PM=CMPM e-11600VexM/T,PHg=CHgPHg e-11600VexHg/T,光源原理与设计金属卤化物灯,诸定昌,CM,CHg,比起指数项要小很多 令 =1,PM,PHg,e11600(VexHg-VexM)/T,=,PM,PHg,=,PM,PHg,e10=2.2104 =220,PM,PHg,虽然主气压贡献是Hg，但谱线 主要贡献是金属M。,CM,CHg,光源原理与设计金属卤化物灯,诸定昌,讨论：,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Ra,3. 添加总辐射能量中50%在可见区的金属， 可达到高的效果,=100 Ra65,光源原理与设

3、计金属卤化物灯,诸定昌,二. 有效利用金属添加剂的条件,Tw=1000K P100Pa,金属 Sr Mg Zn Cd Cs,后发现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,诸定昌,1. 管壁温度下，有一定的蒸气压（P100Pa）,有碘化物，少量溴化物满足,2. Tw下稳定，T0区域分解,MXn,M+nX,T0,Tw,T2500K下，碘化物和少量溴化物分解,T1000K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,诸定昌,三. 金属卤化物添加剂的种类,铍砷硒 剧毒,铜银金 Tw不

4、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,诸定昌,1. 按光谱特性要求,a) In 兰光 410.1和451.1nm,b) Tl 绿光 535nm,c) Na 黄光 589.3nm,d) Li 红光 670.7nm,e) Ga 紫光 403.2/417.2/358.9nm,f) Sc Dy Tn 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,诸定昌,2. 按照明要求,a) 发射特征光谱的若干金属卤化物的组合,N

5、a-Te-In lamp,b) 发射大量密集线光谱的卤化物,Dy灯Osram Sc-Na灯GE,c) 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,诸定昌,四. 金属碘化物对电弧的影响,1. 电弧的收缩现象,添加发射密集线光谱的金属碘化物易造成,产生原因：,VexVi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/Vi0.585 管壁稳定型 Vex/Vi0.585 电弧收缩,光源原理与设计金属卤化物灯,诸定昌,2. 电弧的放宽现象,碱金属 Li Na Cs，电弧稳定，I大,Vl,充量,T,r

6、,NaI,CsI,ri,Tw,T0,光源原理与设计金属卤化物灯,诸定昌,3. 添加铟，铊，镓的碘化物，不会引起 电弧的收缩,原因：辐射的自吸收效应强,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NaI,d. 光效要求：P()在V()的中心,e. Tc的要求,光源原理与设计金属卤化物灯,诸定昌,五. 汞在金卤灯的作用,1. Buffer gas function,2. 改善电特性,无HgeVl,PHgPMXnVl主要决定于larc与PHg,3. 降低启动电压,a. Penning Effect,光源原理与设计金属卤

7、化物灯,诸定昌,b. 降低自由碘的蒸气压,Hg+2I=HgI2,I+eI-,HgI2+eHgI-,例：PI2(Tamb)=0.4torr=53Pa PHgI2(Tamb)=210-5torr=2.710-3Pa,c. 充Hg，启动时为低气压,光源原理与设计金属卤化物灯,诸定昌,一. 放电管几何形状的要求,1. 高的冷端温度（725750oC）,措施,管端呈锥形,涂保温层（ZiO2,Al2O3）,加外壳,双端抽真空,单端充1/2atmN2,8.2 金卤灯的特有问题,光源原理与设计金属卤化物灯,诸定昌,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

8、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 均匀,光源原理与设计金属卤化物灯,诸定昌,4. 电极压封处有尽可能小的缝隙和端部,二. 电极结构与HPM相似,所用材料既要有好的发射性能，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+I2 I2继续与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,诸定昌,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2.6e

9、V，用于Sc-Na MH system,b）稀土氧化物电极（不能用于Sc-Na灯） emitter: Dy2O3, Y2O3 逸出功:2.2 2.4eV,c）纯钨电极 逸出功4.5eV 2KW以上MH灯用T电=2500K,d）ThO2电子粉 发射性能最好,光源原理与设计金属卤化物灯,诸定昌,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升高,氢的危害：H2+Hg*2H+Hg 破坏e+Hg*2e+Hg+ H2+Ar*2H+Hg 破坏Penning effect HIH+I, I+eI- 启动电压上升,光源原理与设计金属

10、卤化物灯,诸定昌,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,诸定昌,4. 解决的途径,a）碘化物在Tamb下P最小，尽量用MIx,b）尽量控制HgI2的形成 PHgI2(Tamb)=210-5torr,方法：充过量的金属 充单碘化物,杂质：Al2O3+IAlI3+O,光源原理与设计金属卤化物灯,诸定昌,c）严格工艺 电极采用真空高烧处理 药丸填充过程中控制H2O和O的气氛 H2O, O1ppm 外泡壳内装吸氢消气剂 采用液化气，煤气和plasma火焰 采用1pp

11、m羟基的石英管,d）合理的电弧管形状和尺寸 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,诸定昌,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P PScI3(Tw=1000K)=1 ScI3+CsIScI3.CsI PScI3.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,诸定昌,5. 启动电压与Tamb基本无关,四. 金卤灯的重复着火电压Vrei,1. 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

12、变化,光源原理与设计金属卤化物灯,诸定昌,Tw=2000C下达最大值,TwTg I=0时，形成慢电子被吸附 Tw=200oC PHgI2此时最大（8torr） 形成负离子量达峰值 Tw200oC 一方面：HgI2全部气化，不可能再增加 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,诸定昌,3. 电极的发射性能的下降是造成 Vrei升高的主要原因,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,诸定昌,五. 有辅助电极下的电解现象,当辅助电极处于正电位，吸收电子流Ie 当辅助电极处于负电位，吸收电子流Ii Ie与Ii不等

13、,+,-,由于辅助电极在上下半周期收集 电子流和离子流的明显不同，造 成辅助电极相对相邻主电极有平 均为 60V的负电位，碱金属离子 迁向辅助电极的钼箔上，引起膨 胀系数升高，导致爆斑开裂。,光源原理与设计金属卤化物灯,诸定昌,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（实际不采用） （缺：启动时必须为正半周期，温度高 不利于半导体工作）,c）辅助电极位于燃点位置上方,光源原理与设计金属卤化物灯,诸定昌,六. 金属的损失过程,1. 单端灯的钠损失过程,产生原因：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. 采用无支撑架结构

14、，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,诸定昌,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,诸定昌,一. Why ceramic Metal Halide Lamp can develop,1). Drawbacks of Quartz Metal Halide Lamp,Limit for Efficacy-Vapor pressure Vs Arc to temperature Rather poor maintenance Col

15、or shift during life Color spread among Individual Lamp High Ignition Voltage Changing during life Other (eg. explosion at end of life),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,诸定昌,3). 市场的需求：长寿命，高Ra，高稳定性,These drawbacks are mostly brought by chemical reaction of quartz and metal halide at high temperature, such as Na diffusion into quartz tube, chemical reaction of rare earth metal (Sc) and quartz.,二. 结构,Ra,color spread,光源原理与设计金属卤化物灯,诸定昌,光源原理与设计金