光源原理-lschap第八章金属卤化物灯

光源原理第八章金属卤化物灯复旦大学光源与照明工程系端2014.11.17本次课主要内容钠铊铟金卤灯稀土金卤灯和分子发光灯小功率金卤灯2014-11-172端,光源原理,第八章8.2

钠铊铟金卤灯Tl

535

nm绿线辐射功率的计算钠铊铟灯的实验设计金卤灯对工作电路的要求钠铊铟灯的工作特性2014-11-173端,光源原理,第八章8.2.2

钠铊铟灯的实验设计(1)灯中各种成分充量的实验研究

蒸气压:pInI3>

pTlI

>

pNaI非饱和

非饱和

饱和最佳填充量-TlI:

0.22

mg/cm3-InI3:

0.02

mg/cm3-NaI:

1.5~2.0

mg/cm32014-11-174端,光源原理,第八章8.2.2

钠铊铟灯的实验设计(2)

电弧管的形状和尺寸高的冷端温度(725~750

℃),措施:-管端呈锥形-涂保温层(ZrO2,Al2O3)-加外壳:双端→抽真空,单端→充0.5

atm

N2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2014-11-175端,光源原理,第八章(2)

电弧管的形状和尺寸恰当的larc/d比值-同样电弧功率,d↑,η↑-垂直燃点时,可能出现辐射的轴向分层:取下电极x=0,

温度上部高,下部低存在粒子输运:

垂直轴 流

vs

轴向和径向扩散-Na-Tl-In垂直燃点时MIn的轴向分布:下方pMIn高,上方低-通常larc/d≤(4~5):1,

防止辐射分层8.2.2

钠铊铟灯的实验设计2014-11-176端,光源原理,第八章(2)

电弧管的形状和尺寸恰当的larc/d比值例:Th重,p中等,下部辐射强Sc,Na轻,p低,下部辐射强Tl与Hg相近,p高,非饱和,比较均匀原子HgThScNaTlInI原子量2012324523204115127分子ThI4ScI3NaITlIInI3分子量740426150331496非饱和为提高冷端温度,电极压封处缝隙尽可能小8.2.2

钠铊铟灯的实验设计pNa为相对分压,下部为1;InI3,TlI非饱和,NaI饱和2014-11-177端,光源原理,第八章8.2.2

钠铊铟灯的实验设计(3)

电极的材料和形状电极结构与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HPM的电极不能用于MH灯-BaO

+

I2

→

BaI2

+

O-BaI2

→

Ba

+I2-W

+

O

→

WO3加快电极损耗I2继续与BaO反应易蒸发,管壁发黑2014-11-178端,光源原理,第八章8.2.2

钠铊铟灯的实验设计(3)

电极的材料和形状金卤灯常用电极-钍钨电极:用于Sc-Na灯不与MXn有明显的反应,逸出功2.6

eV-稀土氧化物电极:不能用于Sc-Na灯发射材料:Dy2O3,Y2O3,逸出功2.2~2.4

eV-纯钨电极:2

kW以上MH逸出功4.5

eV,T电极=2500

K-ThO2电子粉发射性能最好2014-11-179端,光源原理,第八章8.2.2

钠铊铟灯的实验设计(4)

灯的充填物严格定量,不同的灯pHg=1~10

atmpAr~50

Torr金属卤化物药丸-NaI,TlI,

InI3精确混合,制成药丸-碘盐

解,填充在手套箱内完成,气氛中水含量<1ppm石英管羟基含量<10

ppm-可将石英管放在高温真空炉内脱羟手套操作箱2014-11-1710端,光源原理,第八章8.2.2

钠铊铟灯的实验设计(5)灯的外装架:需减少金属的损失单端灯的钠损失过程-产生原因光电效应,发自支架的光电子在管壁形成负电场,拉出Na+造成电弧管内的I过量-解决方法采用无支撑架结构,或支架远离放电管外壳内充0.5

atm

N2

(防止跳电,不充Ar)其他金属的损失-石英管内各种金属离子的溶解度导致→M+被拉出管外-光离解使金属与石英反应而损失2014-11-1711端,光源原理,第八章8.2.2

钠铊铟灯的实验设计缺点:启动时必须为正半周,温度高不利于半导体工作-辅助电极位于燃点位置上方,使液态NaI处于下方冷端(6)

有辅助电极下的电解现象辅助电极正负半周的电流不同-正半周吸收电子流Ie,负半周离子流Ii,Ie

>>Ii-正半周,辅-主电极电位差u

(U0

Ie0R)sint

0-负半周,辅-主电极电位差u

(U0

Ii0R)sint

0电解导致封接处损坏-辅助电极相对相邻主电极有平均为60

V的负电位-Na+向辅助电极的钼箔迁移(电解)-钼箔膨胀系数升高,导致爆斑开裂解决方法-加双金属片,冷时弹开,加热时将两电极导通-加二极管(实际不采用)+-2014-11-1712端,光源原理,第八章8.2.3

金卤灯对工作电路的要求金卤灯的启动问题启动电压较HPM和HPS要高室温下气相卤素原子和卤化物的存在,电负性工艺流程中引入的氢淬灭Hg*,Ar*,使启动电压升高氢的危害:

H2+Hg*→2H+Hg,

破坏e+Hg*→2e+Hg+H2+Ar*→2H+Ar,

破坏Penning

effectHI→H+I,

I+e→I-,

启动电压上升H2的来源有H2)-电极烧氢工艺(电极-H2-O2火焰压封-卤化物的吸潮-灯用材料的OH-的含量电极冷却过快而吸附碘化物,使功函数值上升2014-11-1713端,光源原理,第八章8.2.3

金卤灯对工作电路的要求(2)

启动问题的解决途经碘化物在Tamb下蒸气压最小,尽量用MIx尽量控制HgI2的形成-pHgI2(Tamb)

=

2×10-5

Torr-方法:充过量的金属碘化物尽量减少氧化铝杂质Al2O3+I→AlI3+O,

AlI3的蒸气压很高2014-11-1714端,光源原理,第八章8.2.3

金卤灯对工作电路的要求(2)

启动问题的解决途经严格工艺-电极采用真空高温处理-药丸填充过程中控制H2O,O2

<1

ppm-外泡壳内装吸氢消气剂-采用液化气,煤气和等离子体火焰-采用<1ppm羟基的石英管使冷凝发生在电弧对应的石英管部位-合理的电弧管形状和尺寸-合理的电极结构和位置2014-11-1715端,光源原理,第八章8.2.3

金卤灯对工作电路的要求(2)

启动问题的解决途经加电离电位(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,从而提高蒸气压pScI3

(Tw

=

1000

K)

=

1ScI3+CsI→ScCsI4-重复着火电压低适当的充量pScCsI4

=2启动电压与Tamb基本无关2014-11-1716端,光源原理,第八章8.2.3

金卤灯对工作电路的要求(3)

金卤灯的重复着火电压Vrei卤化物的负电性使Vrei,

MH

>Vrei,

HPS,HPM金卤灯的Vrei随管壁温度上升而变化Tw

=200℃下Vrei达最大值-Tw

<200

℃,低气压放电,Te

>>Tg,I=0时,形成慢电子被吸附-Tw

=200

℃,pHgI2此时最大(8

Torr),形成负离子量达峰值-Tw

>

200

℃,HgI2全部气化,不可能再增加Tg→Te高温下I-不稳定2014-11-1717端,光源原理,第八章8.2.3

金卤灯对工作电路的要求(3)

金卤灯的重复着火电压VreiVrei升高的主要原因:电极发射性能下降Vrei与污染源种类有关Vrei与镇流器的电流输出波形有关电感镇流器有电流过零熄灭时间text,尽量缩短text2014-11-1718端,光源原理,第八章8.2.4

钠铊铟灯的工作特性钠铊铟灯的启动过程刚启动,Ar放电温升,

蒸发,

建立高气压

放电InI3,TlI,NaI相继蒸发,建立金属蒸气放电2014-11-1719端,光源原理,第八章8.2.4

钠铊铟灯的工作特性(2)

钠铊铟灯的光谱能量分布灯(500

W)

光谱来源

辐射功率(W)

紫外可见红外Na-Tl-In灯Na,

Tl,

In44120151HPMHg1127375Na-Tl-In灯参数P=400

W,η=75~80

lm/W,Tc=5500

K,Ra=60~65,H=10

kh缺点光色一致性较差,期内光色漂移2014-11-1720端,光源原理,第八章8.3

稀土金卤灯和分子发光灯灯的结构和特性电弧收缩问题2014-11-1721端,光源原理,第八章2014-11-1722端,光源原理,第八章稀土元素组成稀土元素:周期表中IIIB族钪、钇+15种镧系元素,共17种轻稀土:镧(La),铈(Ce),镨(Pr),钕(Nd),

钷(Pm),钐(Sm),铕(Eu),7种重稀土:钆(Gd),铽(Tb),镝(Dy),钬(Ho),铒(Er),

铥(Tm),镱(Yb),镥(Lu),

钪(Sc),

钇(Y),10种稀土材料的应用:荧光粉,电光源,永磁铁,精密陶瓷,钕玻璃,稀土氢化物电池,储氢,催化,超导,光纤等新能源产业必不可少:电动汽车,风力发电,LED我国稀土储量世界第一,但过量开采-中国稀土储量曾占世界90%,

2012年已降为23%

(

稀土白皮书)-供应全球97%用量-稀土为

资源,

应控制使用和出口2014-11-1723端,光源原理,第八章8.3.1

灯的结构和特性填充物稀土金属碘化物(REI3)-镧系稀土:镝(Dy),钬(Ho),铥(Tm),铈(Ce),钕(Nd)-钪(Sc),

钍(Th)-解决pREI3低的方法:稀土金属碘化物+碱金属碘化物REI3

+AkI→AkREI4

络合物,蒸气压↑↑2-为提高pREI3,管壁负载提高到15~30

W/cmSnX2,

AlX3SnX,AlX分子较高温度下稳定,产生强连续光谱,显色性好2014-11-1724端,光源原理,第八章8.3.1

灯的结构和特性REI3蒸气压低AkREI4蒸气压高2014-11-1725端,光源原理,第八章8.3.1

灯的结构和特性(2)

结构普通照明灯双端短弧灯-电弧管高温-钼箔/引线低温单端灯-启动电压不同- ,

7~10

kV-热启动型,30

kV2014-11-1726端,光源原理,第八章8.3.1

灯的结构和特性能量平衡能将23%~34%的输入电能转化为可见光表8.3.2

稀土金卤灯和分子发光灯的能量平衡种类紫外辐射功率(W)可见红外非辐射功率(W)电极损耗(W)400

W镝灯2412810410836400

W钪钠灯461363814238400

W卤化锡灯1292108148402014-11-1727端,光源原理,第八章8.3.1

灯的结构和特性(3)

光谱η=

90lm/WRa=

62多线光谱η=

75lm/WRa=

85多线光谱η=

80lm/WRa=

95多线+分子光谱η=

50lm/WRa=

92分子光谱5000

K模拟光源2014-11-1728端,光源原理,第八章(3)

光谱:碘化铝灯,Tw=120~510,

Tc=2700~6700

K8.3.1

灯的结构和特性Tw=120

℃Tc=2700

KRa=88光谱:电极+Hg+AlTw=200

℃Tc=2950

KRa=79光谱:电极+Hg+AlTw=275

℃Tc=3800

KRa=66光谱:电极+Hg+AlTw=345

℃Tc=6700

KRa=88光谱:Al+AlI3Tw=465

℃Tc=3800

KRa=84光谱:AlI3Tw=395

℃Tc=5700

KRa=95光谱:AlI3Tw=510

℃Tc=2800

KRa=80光谱:AlI32014-11-1729端,光源原理,第八章8.3.1

灯的结构和特性压铟灯特点-pInI3=10

atm-表面负载300~400

W/cm2-管壁厚度3~5

mm300

W灯参数-di=3

mm,

L=4.5

mm-Vl=42V,

Il=6.5~7

A-η=40~50

lm/W,

Tc=5000~6500

K,H=100h应用放映,显微投影仪2014-11-1730端,光源原理,第八章8.3.1

灯的结构和特性微波激发压铟灯的可见连续谱Ra=97Chen

Yuming,

Chen

Dahua.

Continuum

visible

spectra

from

InBr

discharge

excited

in

amicrowave

resonant [J].

Applied

Physics

Letters,

2007,

91

(16):

Art.

No.

161501.2014-11-1731端,光源原理,第八章8.3.2

电弧收缩问题金属碘化物对电弧有影响(1)

电弧收缩现象添加发射密集线光谱的REI3易造成电弧收缩壁稳电弧→非壁稳电弧(收缩)电流通道截面↓→管压↑↑产生原因Vex<Vi/2,

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,

如Hg,Tl→管壁稳定型电弧-Vex/Vi

<0.585→电弧收缩2014-11-1732端,光源原理,第八章8.3.2

电弧收缩问题Vl(2)

电弧的放宽现象碱金属Li,

Na,Cs电弧稳定,I大收缩电弧壁稳电弧NaICsI填充量2014-11-1733端,光源原理,第八章添加铟,铊,镓的碘化物,不会引起电弧收缩原因:辐射的自吸收效应强,“光加热”电弧外层金卤灯填充物的配方依据-光谱要求:光刻,捕鱼灯,彩色灯-电弧的稳定性:放宽,收缩-启动电压要求:加CsI或NaI-光效要求:P(λ)在V(λ)的中心-Tc的要求8.3.2

电弧收缩问题2014-11-1734端,光源原理,第八章8.4

小功率金卤灯8.4.2

小功率金卤灯的开发技术2014-11-1735端,光源原理,第八章8.4.2

小功率金卤灯的开发技术无排气管小功率金卤灯的制造方法激光切割厚壁石英管加热,氩气冲洗去除SiO2颗粒加热中部,加模具,吹制泡壳2014-11-1736端,光源原理,第八章8.4.2

小功率金卤灯的开发技术加热,