金屬鹵化物燈紫外促發(fā)器的設計

丁有生

(武漢職業(yè)技術學院，武漢 430000)

0 引言

放射性元素85Kr 可在金鹵燈內產生觸發(fā)所必需的初始電子，可大大縮短啟動時間，減少電極濺射，因此它已被廣泛使用。但放射性元素對人體和環(huán)境的危害性是必須考慮的。使用UVE(紫外促發(fā)器)的紫外線照射也是一種有效的產生初始電子的方法，由于其優(yōu)點較多應用會越來越廣。UVE 的結構形式多種多樣，主要有單電極、雙電極及其他它類型等。從工作原理上又可分為氣體擊穿導電型和介質阻擋放電型兩種。氣體擊穿導電可以是輝光放電也可以是火花放電。氣體擊穿導電UVE 的結構相對復雜，一般還需限流裝置，其適用范圍有局限性。

圖1 所示UVE，結構簡單，制造使用方便，工作可靠且成本低，是UVE 的發(fā)展方向之一。下面對該種UVE 的設計做一些探討。

圖1 單電極UVE

1 外殼材料的選擇

外殼材料的選擇主要應考慮材料的紫外線透過率、耐溫性、介電常數(shù)、介電強度、生產和使用成本等因素。因為透明石英玻璃具有紫外線透過率高、耐高溫和加工方便等優(yōu)點，UVE 可選用石英玻璃作為外殼材料。但對直徑小于3.5 mm 的小型UVE，用石英玻璃加工就存在一些技術難度，而陶瓷管就不存在這個問題。除去陶瓷管內的雜質氣體相比石英玻璃也更容易，且加工中不會像石英玻璃那樣會引入二次羥基。如圖2 所示，可用陶瓷管做成結構非常緊湊且耐高溫的UVE。而且，在填充氣種類和壓力一定的情況，陶瓷UVE 的觸發(fā)電壓比石英UVE 低而紫外強度比石英UVE 高。有些透紫外線硬料玻璃和軟料玻璃的短波紫外透過率也較高，而且氫、氦、氖氣也不會透過管壁而進入外殼中，也可考慮將它們作為UVE 的外殼材料。圖3 和圖4 供參考。

圖2 陶瓷外殼UVE US1999/5942840 Philips

圖3 歐司朗石英玻璃紫外透過率曲線

圖4 肖特硼硅玻璃紫外線透過率曲線

不同殼體材料的介電常數(shù)是不同的，如多晶氧化鋁陶瓷的介電常數(shù)為10(1 MHz)，而肖特8337B 玻璃的介電常數(shù)為3.75(1 MHz)。顯然，使用陶瓷作為外殼材料，由于其儲存的電荷量較大，同時，作用在氣隙上的場強也大，這對降低UVE 觸發(fā)電壓和提高紫外輸出功率有利。

此外，不同殼體材料的介電強度也是不同的，如多晶氧化鋁陶瓷、石英玻璃和硼硅玻璃的介電強度分別大致為64 kV/mm、50 kV/mm、30 kV/mm，對低溫觸發(fā)燈也許這個問題并不突出，但對熱啟動的金鹵燈，這個問題也是必須被考慮的。

圖2 的文獻報道，UVE 總長為25 mm，殼體材料為PCA，其內部長度小于4 mm，殼體外徑為2.6 mm，殼體內徑為0.78 mm。電極是直徑為0.71mm 的鈮，其內充有133mbar 的氬氣，實際充氣壓力可在30mbar～200mbar 之內。在陶瓷的坯料階段，將陶瓷管的一端壓死后再燒結。UVE 內也可填充適量的氖氣或者汞，但充汞并不是必須的。使用CDM70W 燈分別裝配有上述的UVE 和填充有汞和氬氣的石英UVE 做比較實驗，陶瓷UVE 比石英UVE 的平均觸發(fā)電壓稍低，但最大觸發(fā)電壓大約低500V，且石英UVE在40 和100 小時時分別有一支不能觸發(fā)。詳見圖5和圖6。

圖5 平均觸發(fā)電壓比較

圖6 最大觸發(fā)電壓比較

2 填充氣種類和氣壓的選擇

填充氣的種類和氣壓的選擇主要應考慮觸發(fā)電壓、紫外強度及紫外光譜能量分布等的需求，并在它們之間平衡。UVE 紫外線的來源主要有兩方面，一方面是原子和分子被激發(fā)、電離后，回到基態(tài)時所產生的光子，另一方面是原子和分子在高能電子和強電場的作用下而生成的準分子分解成原子和分子時所產生的光子。一般認為，紫外波長為180 nm～280 nm為有效的波長范圍。如果波長太長，光子能量有限，較難產生初始電子;如果波長小于180 nm，光子較難穿過UVE 和放電管外殼。比如，當波長小于160 nm的紫外線就幾乎不能透過石英玻璃了。

可滿足上述要求的氣體很多，如惰性氣體、氮氣、汞、鹵素、易揮發(fā)的鹵素化合物及它們的混合物等等，但它們各有優(yōu)缺點。氮氣很便宜，在利用外裝配結構構成的UVE 中，它是首選，但它的放電光譜與氙氣、氬氣相比，偏向可見光這邊。氦氣、氖氣可與其他氣體組成潘寧氣但它們的分子量小，在高溫下有穿透石英玻璃的風險。汞與氬的混合氣是我們非常熟悉的。在UVE 中，填充約1 托至50 托的氬氣并將汞作為雜質加入，實踐證明，它是一種很有效的填充劑，汞的254 um 譜線不僅產額大而且非常有效。純粹充氬也可達到我們所需的一些效果，但它的紫外強度和觸發(fā)電壓與含汞UVE 相比，還是有些遜色，因此，這種汞氬體系現(xiàn)在還在被使用。但這種汞氬體系，對人和環(huán)境都有影響，不適用于無汞金鹵燈。將碘作為雜質氣體混入氙氣中，可產生我們所需要的紫外輻射(US2003/0057833 Osram)。例如，碘原子可產生178.3 nm和206.2 nm 的輻射，氙氣也可在我們所需的紫外光譜范圍內產生我們所需的紫外輻射。電子在電場中獲得的能量大部分通過碰撞傳輸給了Xe 使其被活化，并與碘生成短壽的準分子XeI，于是在253 nm 處產生強的輻射，它有一個強的過渡帶且其尾部向短波方向延伸。這個波長近似于汞的253.7 nm 紫外線，而且碘在UVE 工作范圍內有比汞更高的飽和蒸汽壓，這樣，在低溫狀態(tài)下可能有比汞更高的紫外生產效率，因此，可用碘代替汞。在這里，氙氣也可用氬氣或氪氣取代。碘也可用氣態(tài)的CH3I，HI，SiI4取代，當然HgI2也是可以的。UVE 里填充碘還有一個好處，當燈是熱態(tài)時，UVE 里碘的蒸氣壓很高，阻止了UVE 工作，對燈起到了保護作用。碘也可用其他鹵素元素或其氣態(tài)鹵化物取代，表1 供參考。

表1 鹵素或其準分子紫外發(fā)射峰值波長

為了說明紫外強度和觸發(fā)電壓與填充氣壓的關系，在此，我們以圖1 所示的UVE 為例交流填充氣氣壓的選擇問題。

UVE 的紫外強度很小，測試其實際的發(fā)光強度有一些條件上的限制，而我們所關心的只是其相對強度，因此，此處的紫外強度未使用單位。在圖7 中，隨著充氣壓的提高，紫外強度在不斷上升。我們知道，氣體放電消耗的功率主要為單位時間內用于氣體電離和激發(fā)的能量。氣體電離所消耗的能量不僅與產生每個電子的能量有關而且與電離產生的總電子數(shù)有關?？傠娮訑?shù)一方面取決于碰撞頻率，另一方面取決于電子雪崩產生的電子數(shù)。碰撞頻率與氣壓成正比，而電子雪崩產生的電子數(shù)隨氣壓非線性上升，所以氣體放電消耗的功率隨氣壓非線性上升。而且，還有光電離，從而使氣體放電消耗的功率隨氣壓的變化更是非線性上升。同時，我們可以預測隨著氣壓的上升，電子的碰撞頻率將太高而導致電離能力下降，紫外輻射功率在達到一個極值點之后，又非線性下降。

圖7 紫外強度與充氣壓間的關系

在圖8 中，隨著充氣壓的提高，觸發(fā)電壓也呈上升趨勢。這種現(xiàn)象可用帕邢定律Vs=f(pd)來作近似解釋。其實這種放電是不完全遵循帕邢定律的。文獻［2］認為，Vs 的實際值比理論計算值大很多，但它的分布與帕邢定律相似，先隨著pd 增加而下降，進而產生一個極小值點，再隨著pd 的增加而上升。文獻［2］同時還指出，擊穿電壓分別依賴于氣壓和極間距離。文獻［2］對此問題有深入研究，在此不再重復。

圖8 觸發(fā)電壓與充氣壓間的關系

3 改進UVE 性能的途徑

改進UVE 的性能主要包括降低UVE 的觸發(fā)電壓和提高有效紫外輻射功率兩個方面，它們一方面緊密聯(lián)系，另一方面也相互區(qū)別。綜合起來，可從以下這幾個方面考慮。

3.1 優(yōu)化UVE 的幾何尺寸

UVE 的外部尺寸主要取決于UVE 制造和燈泡裝配需要，同時，不同外徑和長度的UVE 的觸發(fā)電壓和紫外輻射強度也是有明顯區(qū)別。UVE 氣隙的電場強度要比平均電場強度大，它與內電極與殼體間的距離，殼體的厚度呈反比關系。因此，縮短氣隙間距和減小殼體厚度可提高作用在氣隙上的電場強度，降低作用在UVE 上的觸發(fā)電壓。而在填充氣一定的條件下，觸發(fā)電壓越低，則紫外輻射強度越高。

3.2 在陰極上涂覆電子粉或使用低逸出功物質

作用在UVE 氣隙上的場強很高，它會使陰極的有效功函數(shù)降低，即位壘降低，而且位壘還要變窄。如果在陰極上涂覆電子粉(如BaO 類)或者陰極使用逸出功低的材料，這樣電子在較低的場強下就可透過位壘(隧道效應)跑入放電空間而促進氣體擊穿。同時，具有一定能量的的電子和離子在強電場的作用下轟擊低逸出功的陰極，也會產生更多的二次電子。

3.3 改善UVE 的電場分布

電暈放電是非均勻電場下的局部放電。電場分布越均勻，氣隙的平均擊穿場強也就越大。因此，可以通過改進電極形狀的方法來增大氣隙中的最大電場強度，以改善電場分布，降低氣隙的擊穿電壓。圖1中的鉬片上存在的刀口、毛刺等都對降低觸發(fā)電壓有利，當然人為地對鉬片打折、開口等都會對降低觸發(fā)電壓有利。

3.4 提高UVE 的功率

UVE 實質是兩個串聯(lián)的圓柱體電容器，這樣，我們可得到其放電過程消耗的功率表達式

式中T——電源周期;

U(t)——放電電壓;

i(t)——放電電流;

Q(t)——放電電量。

我們有以下公式

式中C，ε 為電容器的電容量和介質的介電常數(shù)，l，R，r分別為電容器長度、外圓柱半徑和內圓柱半徑。

在放電發(fā)生以前氣隙雖然有電流流動，電荷量也增加了，但它并未參與放電，它應從總移動電荷量中扣除掉。因此，提高殼體電容和降低氣隙電容的因素對提高功率有利，包括選用介電常數(shù)大的殼體材料和介電常數(shù)小的氣體、增大電極的面積和長度、減小殼體厚度等。當然提高觸發(fā)脈沖電壓也是可以的。

3.5 提高填充氣純度，減少制造工藝對UVE 的影響

由于制造工藝的原因，在填充氣中混入一定量的雜質是不可避免的。但這些雜質往往是一些消電離氣體如O2，H2等。放電腔體中的電子與負電性氣體相遇時，形成負離子，由于負離子在電場中的運動緩慢，電離能力極小，它的出現(xiàn)就減少了參加形成雪崩的有效電子數(shù)目，因此，導致?lián)舸╇妷荷仙?/p>

假使UVE 是一內徑為D，內高為h的圓柱體，則UVE 的表面積和體積比為:

假使UVE 單位表面上釋放的雜質氣體量一定，則雜質氣體的釋放量與UVE 的直徑成反比。UVE 的內徑一般不大于4 mm，因此，UVE 內的雜質氣體釋放量相對于其體積是很可觀的，且UVE 越小，殼體除氣顯得越重要。

正確安裝UVE 對改善其性能也很重要。如將外電極緊縛在UVE 上，適當增大外電極表面積等也能獲得好的效果。

［1］李朝陽.XeI 準分子紫外光源的發(fā)光特性研究［J］.研究與開發(fā)，2009

［2］凌一鳴.低氣壓介質阻擋放電擊穿特性的研究［J］.電子學報，2006

［3］劉先德.紫外促發(fā)器在金鹵燈中的應用［J］.中國照明電器，2013