一 金屬鹵化物燈光通維持率分析

　　填充不同系列金屬鹵化物、不同功率、不同設(shè)計結(jié)構(gòu)的金屬鹵化物燈其光通維持率變化曲線有所不同，如大部份金屬鹵化物燈在燈燃點初期(幾小時到一︿二百小時)光通量下降較快，再繼續(xù)燃點則光通量的下降就比較平穩(wěn)。但也有一些金屬鹵化物燈的光通維持率變化曲線與此不同，燃點初期光通量下降速率與后期燃點光通量下降速率基本相近。上述區(qū)別主要由于燃點初期與后期的光通量下降原因雖有所相近但也有不同所至。要深入分析金屬鹵化物燈燃點中的光通量下降原因，需要對燈燃點初期與燃點后期光衰機(jī)理分別進(jìn)行分析，以利為有效提高燈的光通維持率。

　　首先分析燃點初期的光通量下降的機(jī)理，如對某一確定的金屬鹵化物燈的電弧管包括：石英泡殼與電極的尺寸和形狀;電極伸出長度;冷端溫度(包括保溫涂層尺寸及涂層厚度);填充的金鹵丸的配比和劑量，及輸入電弧功率等參數(shù)確定之后，其光通的變化基本上決定于：1，石英泡殼的光透過率的變化。2，電極發(fā)射性能(包括陰極電位降)的變化。3，金屬鹵化物燈電弧管中發(fā)光元素(Na、Sc、Dy、Hg---等等)原子濃度及原子分布狀況的變化。

　　由于金屬鹵化物燈電弧管中原子總輻射強(qiáng)度取決于激發(fā)態(tài)原子濃度,其表達(dá)式如下：

　　其中N0即為各種發(fā)光元素的原子濃度。Vk為各種發(fā)光元素的激發(fā)位能。T為各元素原子所處位置溫度。由于金屬鹵化物燈在燃點時電弧管內(nèi)不同點存在很大的溫度差異,圖一為35W汽車金屬鹵化物燈電弧管的等溫曲線圖。

　　圖1 35W汽車金屬鹵化物燈管的等離子體的溫度輪廓曲線。電極距離為4.2mm，等溫線間隔為250K。

　　由上式可以看出同等數(shù)量的發(fā)光元素原子在不同等溫線區(qū)域其發(fā)光強(qiáng)度不同。對處于飽和蒸氣壓狀態(tài)下的NaI、ScI3等金屬鹵化物分子濃度是由電弧管冷端溫度、在冷端附近附著在石英管壁上的液相金屬鹵化物表面積(決定于金屬鹵化物填充量、冷端表面的形狀與狀態(tài))及其流經(jīng)液相金屬鹵化物表面氣流速度所決定。由此可見電弧冷端狀況會很大程度上影響其原子濃度高低及其分布狀態(tài)，當(dāng)然就會影響金屬鹵化物燈的發(fā)光強(qiáng)度。仔細(xì)觀察燃點中的金屬鹵化物燈冷端附近液相金屬鹵化物分布狀況不難發(fā)現(xiàn)，金屬鹵化物燈燃點初期的幾小時至幾十小時內(nèi)冷端附近液相金屬鹵化物分布狀態(tài)變化很大(尤其是Sc-Na系列金屬鹵化物燈)，因此引起電弧管內(nèi)原子濃度分布狀態(tài)變化亦很大,它是引起金屬鹵化物燈初期光衰較大的主要原因之一。

　　原因之二是鈧(鏑)的初期損耗，如Sc-Na系列金屬鹵化物燈燃點時，從局部化學(xué)熱力學(xué)平衡(LTE)角度分析,電弧管中的ScI3-NaI蒸氣壓力可由NaScI4-NaI熔鹽中NaScI4克分子量所決定。Sc的損耗即是NaScI4克分子量的減少,自然引起ScI3、NaI蒸氣壓的下降而導(dǎo)至發(fā)光強(qiáng)度降低，在金屬鹵化物燈燃點初始ScI3的分子濃度由填充金屬鹵化物的鈧、鈉比及冷端溫度所決定，但燃點過程中ScI3、 NaI分子進(jìn)行不斷的氣化-液化循環(huán)過程,其中氣化溫度較高的ScI3分子會沉積在液態(tài)金屬鹵化物的底層，進(jìn)而ScI3分子還會逐步沉積在電極桿底部的石英夾縫中及石英管壓封部的溝縫等處，從而引起液態(tài)表面的鹵化物的鈧、鈉比的降低，減少了NaScI4-NaI熔鹽中的NaScI4克分子量，這種逐步沉積過程會從快到慢延續(xù)較長時間(幾小時至幾十小時)。另外鈧與燈管石英管壁的化學(xué)反應(yīng)也引起鈧損失，其化學(xué)反應(yīng)式如下：

　　APL公司Robert等人利用微觀RAMAN探測證實燃點初期就產(chǎn)生Sc2Si2O7而引起鈧損失。它是使Sc-Na系列金屬鹵化物燈燃點初期光通量下降較快的另一主要原因。這種光通量下降過程可在光譜測試中明顯看出，圖2為Sc-Na燈的光譜能量分布曲線。

　　為了比較鈧的輻射強(qiáng)度的變化我們選擇在它附近沒有其它元素輻射的鈧線510nm與汞線580nm作為比照對象，一般可認(rèn)為在燃點期間汞線580nm強(qiáng)度是基本不變，鈧線510nm強(qiáng)度下降充份說明氣態(tài)NaScI4絡(luò)合分子的降低(鈧損失)。我們用一組3只金鹵燈分別燃點100、500、1000小時，并測量它們的510nm、580nm光譜相對能量變化的平均值，表一、圖3為燃點期間汞、鈧譜線強(qiáng)度對比的變化與光通維持率變化對應(yīng)關(guān)系。

　　可以看出其對應(yīng)關(guān)系相當(dāng)蜜切。Varanasi等人也診斷出燃點初期HgI2迅速增加ScI3快速減少，經(jīng)100多小時燃點HgI2達(dá)0.4mg，ScI3則已減少15%左右，而在500小時后則劑量變化速率變緩，圖4、圖5、圖6為他們在診斷測量出的燈管內(nèi)ScI3、NaI、HgI2劑量隨燃點時間的變化關(guān)系，而HgI2增加會引起電弧收縮也使流明輸出減少。在 Sc-Na金鹵燈中添加金屬鈧片能緩減ScI4的減少及HgI2的增加而適當(dāng)減少燃點初期光通量的下降，同時Sc片也能作為吸氣劑消除燈管內(nèi)的H2O、O2等雜質(zhì)。

　　原因之三是由于電弧管內(nèi)雜質(zhì)氣體的作用，如H2O中的O2會與ScI3中的Sc發(fā)生化學(xué)作用生成Sc2O3引起鈧損失，，另外在初期燃點過程中石英管壁及電極材料在高溫條件下由于物理與化學(xué)作用,其表面及表層會釋放出各種雜質(zhì)氣體，尤其是各種負(fù)電性氣體與HgI一樣會引起電弧收縮，其結(jié)果是引起激發(fā)復(fù)合發(fā)光層區(qū)域縮小而降低發(fā)光強(qiáng)度。Kazuya Hatase等人利用等離子光譜診斷技術(shù)測量出400W金屬鹵化物燈內(nèi)管(電極距離為32mm，管徑為16mm)徑向Sc原子(離子)分布濃度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在其徑向溫度分布的特定溫度區(qū)存在Sc原子(離子)濃度的最大處，并隨初期燃點時間的延長其最大處的徑向位置在縮小即引起電弧收縮，圖7為燈管內(nèi)Sc原子(離子)濃度隨經(jīng)向的分布規(guī)率，這不難使人想象在這使Sc(Na)激發(fā)的電子能量的最佳區(qū)域即是發(fā)光強(qiáng)度的最強(qiáng)區(qū)域-激發(fā)復(fù)合發(fā)光層中，當(dāng)電弧收縮時就會減少激發(fā)復(fù)合發(fā)光層的表面積而引起光通量的下降。

　　綜上所述各種引起光通量下降的原因說明;在燃點初期雖電弧管壁仍非常干凈并無電極濺散的蹤跡,但仍有不小的光通量減低，因此必須從電弧管結(jié)構(gòu)、機(jī)理、設(shè)計上進(jìn)行研究來提高金鹵燈光通維持率。表二圖8為我們綜合考慮了電極設(shè)計與使用、金屬鹵化物燈管內(nèi)鹵鎢循環(huán)作用、燈管內(nèi)鹵化物劑量與氣相濃度的控制、及石英燈管表面污染與腐蝕等因素后所制作的350W Sc-Na燈光通維持率與鈧損失的對照圖表。

　　從此看出其初始光通維持率及長期燃點光通維持率都有所提高，下面討論如何維持燈管管壁的透明度與提高電極發(fā)射性能。

　　二 電極鎢、釷金屬的遷移與燈管壁上鎢、釷金屬的凈化

　　在金鹵燈工作期間，電極鎢、釷金屬的向外遷移引起的燈管管壁表面發(fā)黑是產(chǎn)生光流明維持率下降的另一個原因，我們在鹵素循環(huán)機(jī)制質(zhì)量中的金鹵燈電極一文中已較為詳盡地敘述了金鹵燈電極上鎢、釷的蒸發(fā)、濺射的機(jī)理，與控制減輕燈管管壁發(fā)黑的措施與方法。現(xiàn)在就提高光流明維持率有關(guān)問題作補(bǔ)充分析與探討：

　　為更為直觀地分析問題，作一鎢釷遷移地循環(huán)圖9如下;

　　圖9右邊表示燈管內(nèi)鹵、氧、鎢(釷)的局部化學(xué)熱力學(xué)循環(huán)(LTE)化學(xué)反應(yīng)示意圖，圖左邊表示燈管啟動及工作期間電極上蒸發(fā)與濺射出的鎢、釷單原子及釷鎢原子團(tuán)粒與電極陰極鞘層附近的其它填充物的原子、離子發(fā)生碰撞重新返回到電極物理過程的示意圖。電極向外遷移的鎢釷的蒸發(fā)是取決于電極溫度及燈管內(nèi)其它物質(zhì)的氣壓，其蒸發(fā)速率是由單鎢、釷原子濃度擴(kuò)散、熱擴(kuò)散和鎢釷原子團(tuán)擴(kuò)散三部份組成，當(dāng)然在陰極電弧為擴(kuò)散型或聚集型，不同的電極溫度自然會有不同的熱蒸發(fā)擴(kuò)散的速率。濺射遷移則是由離子(Hg+、Ar+等)轟擊陰極所引起，它取決于電極陰極位降(啟動和正常工作時都會存在)。當(dāng)啟動過程中電弧在輝弧轉(zhuǎn)換時，其高陰極位降及較大的啟動電流時會引起更多的鎢釷原子團(tuán)的濺射。但不論是蒸發(fā)或或濺射遷移出去的原子及原子團(tuán)粒與電弧鞘層內(nèi)的填充物游離原子碰撞下絕大部分的原子及原子團(tuán)會重新返回到電極。W.Elendaas 在Light Sources一書中從理論計算并通過實驗證實，在40W充氣白熾燈鎢絲上蒸發(fā)與濺射出的鎢原子及原子團(tuán)中的499/500會返到燈絲上。而金鹵燈工怍期間工作氣壓近十個大氣壓比白熾燈的氣壓要大一個數(shù)量級，電極鞘層周圍的填充物原子、離子濃度肯定更高，尤其是UHP燈、 汽車金鹵燈(屬于準(zhǔn)等離子體)。同時汞、碘、氬等填充物的原子碰撞截面遠(yuǎn)大于氮原子的碰撞截面。因此可以確定鎢、釷原子的返回率更高，但這種鎢、釷原子及鎢、釷原子團(tuán)的蒸發(fā)、濺射與返回的過程會嚴(yán)重破壞電極表面發(fā)射性能良好的釷單原子層，而它使電極表面變粗糙。一般認(rèn)為啟動時引起釷單原子層的損壞需十幾分鐘到幾十分鐘工怍才能恢復(fù)。

　　再者根據(jù)LTE循環(huán)系統(tǒng)的化學(xué)熱力學(xué)反應(yīng)條件，電極頂端鹵氧鎢、鹵氧釷循環(huán)時鎢釷返回電極的沉積區(qū)且是有選擇地沉積在電極的鎢、釷蒸汽壓最低的溫度區(qū)(2000K左右)。對于電極電弧為聚集型其發(fā)射熱點溫度約為3500K左右，因此鎢、釷會沉積在熱點周圍較低的溫度圈內(nèi)，而引起電極頂端形狀的更變，如形成鐘乳狀凸起，在微觀上產(chǎn)生電極上低功函數(shù)發(fā)射點的轉(zhuǎn)移，當(dāng)交流電源的電流轉(zhuǎn)換時就會產(chǎn)生電弧熱發(fā)射點跳變，這對于高投光性能的VHP燈，要求電弧熱點跳變<25μm，>100μm跳變慨率低于13%，且是一個很大的性能缺陷。更為重要的是如果電極頂端溫度控制不當(dāng)則會使鎢、釷原子遷移返回沉積區(qū)下移形成帽狀電極頂端、電極前端毛刺等，嚴(yán)重時盡至產(chǎn)生電極頂端快速腐蝕縮短的惡性循環(huán)，并引起燈管管壁迅速黑化。Waymouth 曾指出;電極頂端理想的工作溫度范圍是很窄的。因此正確的電極設(shè)計與合理的使用，不僅要考慮電極頂端的溫度包括電極電弧婁型(擴(kuò)散型或聚集型)，還要考慮電極頂端的溫度分布狀況，并盡可能降低陰極位降，才能控制與減少鎢釷的蒸發(fā)濺射遷移，延長電極壽命。

　　另一方面，金鹵燈燈管工怍時局部化學(xué)熱力學(xué)平衡(LTE)腔體的管壁邊界處的鹵氧鎢、釷的循環(huán)作用也是極為重要的環(huán)節(jié)，因它能清除凈化管壁上鎢釷的沉積。雖在以往有關(guān)金鹵燈的基礎(chǔ)知識中，都提出選用金鹵燈填充的金屬鹵化物的條件之一是它能在燈管電弧等離子區(qū)內(nèi)能有充分高的蒸汽壓并能離解成鹵素與金屬(且具有高的發(fā)光效率)，但在管壁溫度下又能復(fù)合成MXn分子，避免金屬對石英管壁的腐蝕，實際上在LTE的邊界處仍有X 的存在，并與管壁處沉積的鎢、釷產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)又生成MXn，當(dāng)有氧存在時且生成MXnOm(如WO2Br2)并在管壁特定的溫度處汽化進(jìn)入電弧等離子區(qū)，再參與電極鞘層附近的鹵氧鎢循環(huán)，起到對泡殼上沉積的一些鎢釷的清除凈化作用。我相信，有經(jīng)驗金鹵燈制作者能經(jīng)常在某一局部的管壁上發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象，只是凈化能力有限。

　　為正確利用這種化學(xué)循環(huán)反應(yīng)，能在整個燈管管壁上擴(kuò)大、加速這種化學(xué)反應(yīng)。經(jīng)多年努力，我們初步尋找到一種在燈管管壁處能很好起清除、凈化作用的循環(huán)劑，它應(yīng)具有如下特性：不具負(fù)電性，不會增加陰極位降，對燈管發(fā)光效應(yīng)影響很小，當(dāng)然還不會腐蝕石英管壁，并對燈管管壁上沉積鎢、釷金屬有很強(qiáng)的清除、凈化作用。而且一定量的微量氧的存在能促進(jìn)這種循環(huán)，提高對W Th 的溶解度。在這里箸重指出X/O的比率及燈管管壁的溫度是影響此溶解度的極其重要的因素，而且可用下式表示：

其中R為一個控制電極與管壁處腐蝕溶解度的量化參數(shù)。

　　有必要指出上述情況必須在工藝上要極嚴(yán)格地消除燈管內(nèi)其它雜質(zhì)，不然要破壞這種內(nèi)部循環(huán)。

　　表三列出我們制作的合理控制電極頂端并加了循環(huán)劑的200W金鹵燈的技術(shù)數(shù)據(jù)

　　從上述數(shù)據(jù)看出由于燈管管壁上沉積的鎢、釷得到適當(dāng)?shù)那宄粌H提高了光通維持率，并能增加燈管的壁負(fù)荷并提高了冷端溫度，因此促使光效與顯色指數(shù)的提高，并保持了燈管的長壽命。

　　總之提高金鹵燈的光通維持率除設(shè)法減少鈧、鏑等主發(fā)光金屬的損耗外，控制減少電極上鎢、釷的遷移損失并加強(qiáng)燈管管壁上沉積鎢、釷的清除，凈化并使兩者均衡，是提高金鹵燈光效維持率的有效途徑。

　　上述只是一些初步結(jié)果，在機(jī)理與實踐上還需繼續(xù)做更深入工作，這里只是與廣大制燈技術(shù)專家共同探討，望給予批評指正。

　　參考資料：

　　1， 對金屬鹵化物燈放電管內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的微觀RAMAN探測。 Robert Forrest LS-9

　　2， 在含有NaI-ScI3-ThI4的金屬鹵化物燈的壽命的不同階段中其劑量組成的變化。C.V.Varanasi LS-9

　　3， 金屬鹵化物燈等離子體的光譜診斷。Rozuya.Hatase LS-9

　　4， 光源 Light Sources W.Elenbaas

　　5， 鹵素循環(huán)機(jī)制質(zhì)量中的金鹵燈電極 李 中 薛 源