一 金属卤化物灯光通维持率分析

　　填充不同系列金属卤化物、不同功率、不同设计结构的金属卤化物灯其光通维持率变化曲线有所不同，如大部份金属卤化物灯在灯燃点初期(几小时到一︿二百小时)光通量下降较快，再继续燃点则光通量的下降就比较平稳。但也有一些金属卤化物灯的光通维持率变化曲线与此不同，燃点初期光通量下降速率与后期燃点光通量下降速率基本相近。上述区别主要由于燃点初期与后期的光通量下降原因虽有所相近但也有不同所至。要深入分析金属卤化物灯燃点中的光通量下降原因，需要对灯燃点初期与燃点后期光衰机理分別进行分析，以利为有效提高灯的光通维持率。

　　首先分析燃点初期的光通量下降的机理，如对某一确定的金属卤化物灯的电弧管包括：石英泡壳与电极的尺寸和形状;电极伸出长度;冷端温度(包括保温涂层尺寸及涂层厚度);填充的金卤丸的配比和剂量，及输入电弧功率等参数确定之后，其光通的变化基本上决定于：1，石英泡壳的光透过率的变化。2，电极发射性能(包括阴极电位降)的变化。3，金属卤化物灯电弧管中发光元素(Na、Sc、Dy、Hg---等等)原子浓度及原子分布状况的变化。

　　由于金属卤化物灯电弧管中原子总辐射强度取决于激发态原子浓度,其表达式如下：

　　其中N0即为各种发光元素的原子浓度。Vk为各种发光元素的激发位能。T为各元素原子所处位置温度。由于金属卤化物灯在燃点时电弧管内不同点存在很大的温度差异,图一为35W汽车金属卤化物灯电弧管的等温曲线图。

　　图1 35W汽车金属卤化物灯管的等离子体的温度轮廓曲线。电极距离为4.2mm，等温线间隔为250K。

　　由上式可以看出同等数量的发光元素原子在不同等温线区域其发光强度不同。对处于饱和蒸气压状态下的NaI、ScI3等金属卤化物分子浓度是由电弧管冷端温度、在冷端附近附着在石英管壁上的液相金属卤化物表面积(决定于金属卤化物填充量、冷端表面的形状与状态)及其流经液相金属卤化物表面气流速度所决定。由此可见电弧冷端状况会很大程度上影响其原子浓度高低及其分布状态，当然就会影响金属卤化物灯的发光强度。仔细观察燃点中的金属卤化物灯冷端附近液相金属卤化物分布状况不难发现，金属卤化物灯燃点初期的几小时至几十小时内冷端附近液相金属卤化物分布状态变化很大(尤其是Sc-Na系列金属卤化物灯)，因此引起电弧管内原子浓度分布状态变化亦很大,它是引起金属卤化物灯初期光衰较大的主要原因之一。

　　原因之二是钪(镝)的初期损耗，如Sc-Na系列金属卤化物灯燃点时，从局部化学热力学平衡(LTE)角度分析,电弧管中的ScI3-NaI蒸气压力可由NaScI4-NaI熔盐中NaScI4克分子量所决定。Sc的损耗即是NaScI4克分子量的减少,自然引起ScI3、NaI蒸气压的下降而导至发光强度降低，在金属卤化物灯燃点初始ScI3的分子浓度由填充金属卤化物的钪、钠比及冷端温度所决定，但燃点过程中ScI3、 NaI分子进行不断的气化-液化循环过程,其中气化温度较高的ScI3分子会沉积在液态金属卤化物的底层，进而ScI3分子还会逐步沉积在电极杆底部的石英夹缝中及石英管压封部的沟缝等处，从而引起液态表面的卤化物的钪、钠比的降低，减少了NaScI4-NaI熔盐中的NaScI4克分子量，这种逐步沉积过程会从快到慢延续较长时间(几小时至几十小时)。另外钪与灯管石英管壁的化学反应也引起钪损失，其化学反应式如下：

　　APL公司Robert等人利用微观RAMAN探测证实燃点初期就产生Sc2Si2O7而引起钪损失。它是使Sc-Na系列金属卤化物灯燃点初期光通量下降较快的另一主要原因。这种光通量下降过程可在光谱测试中明显看出，图2为Sc-Na灯的光谱能量分布曲线。

　　为了比较钪的辐射强度的变化我们选择在它附近没有其它元素辐射的钪线510nm与汞线580nm作为比照对象，一般可认为在燃点期间汞线580nm强度是基本不变，钪线510nm强度下降充份说明气态NaScI4络合分子的降低(钪损失)。我们用一组3只金卤灯分别燃点100、500、1000小时，并测量它们的510nm、580nm光谱相对能量变化的平均值，表一、图3为燃点期间汞、钪谱线强度对比的变化与光通维持率变化对应关系。

　　可以看出其对应关系相当蜜切。Varanasi等人也诊断出燃点初期HgI2迅速增加ScI3快速减少，经100多小时燃点HgI2达0.4mg，ScI3则已减少15%左右，而在500小时后则剂量变化速率变缓，图4、图5、图6为他们在诊断测量出的灯管内ScI3、NaI、HgI2剂量随燃点时间的变化关系，而HgI2增加会引起电弧收缩也使流明输出减少。在 Sc-Na金卤灯中添加金属钪片能缓减ScI4的减少及HgI2的增加而适当减少燃点初期光通量的下降，同时Sc片也能作为吸气剂消除灯管内的H2O、O2等杂质。

　　原因之三是由于电弧管内杂质气体的作用，如H2O中的O2会与ScI3中的Sc发生化学作用生成Sc2O3引起钪损失，，另外在初期燃点过程中石英管壁及电极材料在高温条件下由于物理与化学作用,其表面及表层会释放出各种杂质气体，尤其是各种负电性气体与HgI一样会引起电弧收缩，其结果是引起激发复合发光层区域缩小而降低发光强度。Kazuya Hatase等人利用等离子光谱诊断技术测量出400W金属卤化物灯内管(电极距离为32mm，管径为16mm)径向Sc原子(离子)分布浓度，结果发现在其径向温度分布的特定温度区存在Sc原子(离子)浓度的最大处，并随初期燃点时间的延长其最大处的径向位置在缩小即引起电弧收缩，图7为灯管内Sc原子(离子)浓度随经向的分布规率，这不难使人想象在这使Sc(Na)激发的电子能量的最佳区域即是发光强度的最强区域-激发复合发光层中，当电弧收缩时就会减少激发复合发光层的表面积而引起光通量的下降。

　　综上所述各种引起光通量下降的原因说明;在燃点初期虽电弧管壁仍非常干净并无电极溅散的踪迹,但仍有不小的光通量减低，因此必须从电弧管结构、机理、设计上进行研究来提高金卤灯光通维持率。表二图8为我们综合考虑了电极设计与使用、金属卤化物灯管内卤钨循环作用、灯管内卤化物剂量与气相浓度的控制、及石英灯管表面污染与腐蚀等因素后所制作的350W Sc-Na灯光通维持率与钪损失的对照图表。

　　从此看出其初始光通维持率及长期燃点光通维持率都有所提高，下面讨论如何维持灯管管壁的透明度与提高电极发射性能。

　　二 电极钨、钍金属的迁移与灯管壁上钨、钍金属的净化

　　在金卤灯工作期间，电极钨、钍金属的向外迁移引起的灯管管壁表面发黑是产生光流明维持率下降的另一个原因，我们在卤素循环机制质量中的金卤灯电极一文中已较为详尽地叙述了金卤灯电极上钨、钍的蒸发、溅射的机理，与控制减轻灯管管壁发黑的措施与方法。现在就提高光流明维持率有关问题作补充分析与探讨：

　　为更为直观地分析问题，作一钨钍迁移地循环图9如下;

　　图9右边表示灯管内卤、氧、钨(钍)的局部化学热力学循环(LTE)化学反应示意图，图左边表示灯管启动及工作期间电极上蒸发与溅射出的钨、钍单原子及钍钨原子团粒与电极阴极鞘层附近的其它填充物的原子、离子发生碰撞重新返回到电极物理过程的示意图。电极向外迁移的钨钍的蒸发是取决于电极温度及灯管内其它物质的气压，其蒸发速率是由单钨、钍原子浓度扩散、热扩散和钨钍原子团扩散三部份组成，当然在阴极电弧为扩散型或聚集型，不同的电极温度自然会有不同的热蒸发扩散的速率。溅射迁移则是由离子(Hg+、Ar+等)轰击阴极所引起，它取决于电极阴极位降(启动和正常工作时都会存在)。当启动过程中电弧在辉弧转换时，其高阴极位降及较大的启动电流时会引起更多的钨钍原子团的溅射。但不论是蒸发或或溅射迁移出去的原子及原子团粒与电弧鞘层内的填充物游离原子碰撞下绝大部分的原子及原子团会重新返回到电极。W.Elendaas 在Light Sources一书中从理论计算并通过实验证实，在40W充气白炽灯钨丝上蒸发与溅射出的钨原子及原子团中的499/500会返到灯丝上。而金卤灯工怍期间工作气压近十个大气压比白炽灯的气压要大一个数量级，电极鞘层周围的填充物原子、离子浓度肯定更高，尤其是UHP灯、 汽车金卤灯(属于准等离子体)。同时汞、碘、氩等填充物的原子碰撞截面远大于氮原子的碰撞截面。因此可以确定钨、钍原子的返回率更高，但这种钨、钍原子及钨、钍原子团的蒸发、溅射与返回的过程会严重破坏电极表面发射性能良好的钍单原子层，而它使电极表面变粗糙。一般认为启动时引起钍单原子层的损坏需十几分钟到几十分钟工怍才能恢复。

　　再者根据LTE循环系统的化学热力学反应条件，电极顶端卤氧钨、卤氧钍循环时钨钍返回电极的沉积区且是有选择地沉积在电极的钨、钍蒸汽压最低的温度区(2000K左右)。对于电极电弧为聚集型其发射热点温度约为3500K左右，因此钨、钍会沉积在热点周围较低的温度圈内，而引起电极顶端形状的更变，如形成钟乳状凸起，在微观上产生电极上低功函数发射点的转移，当交流电源的电流转换时就会产生电弧热发射点跳变，这对于高投光性能的VHP灯，要求电弧热点跳变<25μm，>100μm跳变慨率低于13%，且是一个很大的性能缺陷。更为重要的是如果电极顶端温度控制不当则会使钨、钍原子迁移返回沉积区下移形成帽状电极顶端、电极前端毛刺等，严重时尽至产生电极顶端快速腐蚀缩短的恶性循环，并引起灯管管壁迅速黑化。Waymouth 曾指出;电极顶端理想的工作温度范围是很窄的。因此正确的电极设计与合理的使用，不仅要考虑电极顶端的温度包括电极电弧娄型(扩散型或聚集型)，还要考虑电极顶端的温度分布状况，并尽可能降低阴极位降，才能控制与减少钨钍的蒸发溅射迁移，延长电极寿命。

　　另一方面，金卤灯灯管工怍时局部化学热力学平衡(LTE)腔体的管壁边界处的卤氧钨、钍的循环作用也是极为重要的环节，因它能清除净化管壁上钨钍的沉积。虽在以往有关金卤灯的基础知识中，都提出选用金卤灯填充的金属卤化物的条件之一是它能在灯管电弧等离子区内能有充分高的蒸汽压并能离解成卤素与金属(且具有高的发光效率)，但在管壁温度下又能复合成MXn分子，避免金属对石英管壁的腐蚀，实际上在LTE的边界处仍有X 的存在，并与管壁处沉积的钨、钍产生化学反应又生成MXn，当有氧存在时且生成MXnOm(如WO2Br2)并在管壁特定的温度处汽化进入电弧等离子区，再参与电极鞘层附近的卤氧钨循环，起到对泡壳上沉积的一些钨钍的清除净化作用。我相信，有经验金卤灯制作者能经常在某一局部的管壁上发现这种现象，只是净化能力有限。

　　为正确利用这种化学循环反应，能在整个灯管管壁上扩大、加速这种化学反应。经多年努力，我们初步寻找到一种在灯管管壁处能很好起清除、净化作用的循环剂，它应具有如下特性：不具负电性，不会增加阴极位降，对灯管发光效应影响很小，当然还不会腐蚀石英管壁，并对灯管管壁上沉积钨、钍金属有很强的清除、净化作用。而且一定量的微量氧的存在能促进这种循环，提高对W Th 的溶解度。在这里箸重指出X/O的比率及灯管管壁的温度是影响此溶解度的极其重要的因素，而且可用下式表示：

其中R为一个控制电极与管壁处腐蚀溶解度的量化参数。

　　有必要指出上述情况必须在工艺上要极严格地消除灯管内其它杂质，不然要破坏这种内部循环。

　　表三列出我们制作的合理控制电极顶端并加了循环剂的200W金卤灯的技术数据

　　从上述数据看出由于灯管管壁上沉积的钨、钍得到适当的清除不仅提高了光通维持率，并能增加灯管的壁负荷并提高了冷端温度，因此促使光效与显色指数的提高，并保持了灯管的长寿命。

　　总之提高金卤灯的光通维持率除设法减少钪、镝等主发光金属的损耗外，控制减少电极上钨、钍的迁移损失并加强灯管管壁上沉积钨、钍的清除，净化并使两者均衡，是提高金卤灯光效维持率的有效途径。

　　上述只是一些初步结果，在机理与实践上还需继续做更深入工作，这里只是与广大制灯技术专家共同探讨，望给予批评指正。

　　参考资料：

　　1， 对金属卤化物灯放电管内化学反应的微观RAMAN探测。 Robert Forrest LS-9

　　2， 在含有NaI-ScI3-ThI4的金属卤化物灯的寿命的不同阶段中其剂量组成的变化。C.V.Varanasi LS-9

　　3， 金属卤化物灯等离子体的光谱诊断。Rozuya.Hatase LS-9

　　4， 光源 Light Sources W.Elenbaas

　　5， 卤素循环机制质量中的金卤灯电极 李 中 薛 源