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高氣壓放電的基本原理

1.高氣壓放電簡(jiǎn)介

     氣體放電燈可以分為低氣壓放電燈和高氣壓放電燈兩大類(lèi),兩種放電的性質(zhì)有很大的不同。雖然光源的光效相差不大,但低氣壓放電燈的放電管相對(duì)比較大,這樣光源的亮度較低,而高氣壓放電燈的放電管比較緊湊,因此光源的亮度很高。另外,光源的功率不同,通常低氣壓放電燈的功率在100W以下,而高氣壓放電燈的功率在100W以上。這樣的區(qū)別導(dǎo)致兩者的使用場(chǎng)合有很大的不同,低氣壓放電燈可以使用在普通的照明中,高氣壓放電燈則應(yīng)用在對(duì)光束亮度要求很高的場(chǎng)合。

2.高氣壓放電燈的基本結(jié)構(gòu)

(1)放電管的結(jié)構(gòu)

     盡管各種高氣壓放電燈的結(jié)構(gòu)不太相同,但大體上的結(jié)構(gòu)是十分類(lèi)似的。圖3.3.1所示為高強(qiáng)度氣體放電(highintensity discharge,HID)燈的基本結(jié)構(gòu)。在整個(gè)結(jié)構(gòu)中,核心部分是放電管,工作時(shí)放電在這里發(fā)生,因此它是燈實(shí)際發(fā)光的部分。放電管中各部件必須滿(mǎn)足以下條件:

① 管壁材料:光通過(guò)率高,高的熔點(diǎn)和低的飽和蒸氣壓,耐腐蝕,氣密性好,抗溫度變化抗充氣壓力。目前,比較理想的材料是石英和多品氧化鋁陶瓷(polycrystalalumina，PCA)。②電極:導(dǎo)電性能好,高熔點(diǎn),耐腐蝕,低的逸出功。目前,比較理想的材料是鎢,有些

情況下,摻雜一些其他的發(fā)射材料來(lái)降低電極的逸出功。

③ 封接材料:熱膨脹系數(shù)和放電管材料匹配,耐腐蝕,高熔點(diǎn)。目前,在石英燈管采用鉬箔(Mo)封接,在陶瓷燈管中采用鈮(Nb)封接。

圖3.3.1 高氣壓放電燈的基本結(jié)構(gòu)

(2)放電管的外泡殼

    在大多數(shù)高氣壓放電燈中,放電管外部有外泡殼,通常被鍍鎳鐵絲做成的框架支撐在外泡殼內(nèi),同時(shí)支撐導(dǎo)線(xiàn)還承擔(dān)給放電管供電的功能。高氣壓放電燈采用外泡殼結(jié)構(gòu)主要有以下一些理由:

①防止接頭導(dǎo)線(xiàn)的腐蝕。

②可以使放電管在真空環(huán)境中工作,可以減少熱傳導(dǎo)的損失。這樣,在設(shè)計(jì)燈時(shí),在定的功率下可適當(dāng)增加光源放電管的體積。

③可以防止氣體在放電管管壁的擴(kuò)散而導(dǎo)致放電管內(nèi)氣體成分比例的改變,如為了降

低放電管中氫氣的蒸氣壓,就可以在外泡殼中安裝消除氫氣的消氣劑。與其他光源一樣,外泡殼的氣密封接通常采用芯柱結(jié)構(gòu),在芯柱里有兩個(gè)導(dǎo)線(xiàn)接頭和燈頭相連。燈頭的主要作用是和外界電源相連,同時(shí)也保證光源的放電管可以處在燈具恰當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

3.高氣壓放電燈的填充物質(zhì)

般在放電管內(nèi)的填充劑包含一些物質(zhì),原則上可以分為3大類(lèi):啟動(dòng)氣體、緩沖氣體和發(fā)光物質(zhì)。不同種類(lèi)的物質(zhì)分別有不同的要求和具有不同的功能。

(1)啟動(dòng)氣體

這是在燈沒(méi)有工作時(shí)就已經(jīng)存在的氣體,它將在啟動(dòng)時(shí)決定燈的特性直到燈預(yù)熱過(guò)程的結(jié)束。對(duì)啟動(dòng)氣體的要求有:

①在一定氣壓下既有效防止電極濺射,又有比較低的擊穿電壓;

②在放電時(shí)熱量從管壁損失的貢獻(xiàn)小,即有小的熱導(dǎo)率。

目前,在實(shí)際生產(chǎn)中主要使用惰性氣體,特別是氬氣和氙氣,作為啟動(dòng)氣體

(2)緩沖氣體

    這是放電燈在穩(wěn)定工作時(shí)放電管中氣體的主要成分,它是決定燈的電特性和熱特性的主要因素。對(duì)緩沖氣體的要求有:

①足夠高的電場(chǎng)強(qiáng)度;

② 低的熱傳導(dǎo)率。

目前,光源中最主要的緩沖氣體是汞蒸氣。

(3)發(fā)光物質(zhì)

    這是放電燈輻射光譜的元素。在有些高氣壓放電光源中,前面所講的緩沖氣體同時(shí)也是發(fā)光物質(zhì),如高壓汞燈。在其他一些放電燈中,會(huì)在放電管中填充少量的放電物質(zhì),這些放電物質(zhì)在放電時(shí)呈氣態(tài)并承擔(dān)發(fā)射譜線(xiàn)的功能。對(duì)發(fā)光物質(zhì)的要求有:

①在工作時(shí),有足夠高的氣壓;

②在可見(jiàn)光范圍內(nèi),有比較合適的光譜分布;

③ 和放電管內(nèi)其他部分沒(méi)有強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)。

目前,經(jīng)常使用的發(fā)光物質(zhì)有 Hg、Na、Sc、TI、Dy 和 In 等。

4.高氣壓放電燈的電氣特性通常,高氣壓氣體放電燈需要一個(gè)相對(duì)較高的電壓進(jìn)行點(diǎn)燃,使燈內(nèi)的啟動(dòng)氣體進(jìn)行放電來(lái)預(yù)熱燈管,直到發(fā)光氣體有足夠的氣壓。為了降低啟動(dòng)電壓可以適當(dāng)減少啟動(dòng)氣體的充填量,但啟動(dòng)氣體還有抑制電極在預(yù)熱階段的濺射作用,因此在實(shí)際情況中,一般采用的啟動(dòng)氣體壓強(qiáng)在1330Pa左右。有時(shí),為了提高燈的其他性能,需要較高氣壓的啟動(dòng)氣體,這時(shí)通常會(huì)內(nèi)置一個(gè)觸發(fā)裝置來(lái)幫助啟動(dòng)。

圖 3.3.2 高氣壓放電燈鎮(zhèn)流器特性范圍的四邊形圖

     由于氣體放電燈的負(fù)阻抗特性,因此需要鎮(zhèn)流器來(lái)進(jìn)行鎮(zhèn)流。高氣壓放電燈多數(shù)工作在交流狀態(tài)下，一般采用電抗器件作為鎮(zhèn)流器。根據(jù)燈的不同種類(lèi)、類(lèi)型及其應(yīng)用的需求,可配置不同形式的鎮(zhèn)流器電路,使鎮(zhèn)流器電路和燈最佳匹配。燈在使用時(shí),各種因素的變化(電源電壓的變化、燈性能隨時(shí)間的變化、燈具內(nèi)反射器效率的變化和使用環(huán)境的變化等),都會(huì)使高氣壓放電燈的電氣特性發(fā)生變化。為了使鎮(zhèn)流器的特性曲線(xiàn)適應(yīng)這些動(dòng)態(tài)的變化,并確保燈在壽命期間的任何動(dòng)態(tài)變化,鎮(zhèn)流器的電氣性能參數(shù)變化應(yīng)該限制在一定的范圍內(nèi),如圖3.3.2所示。不同型號(hào)和功率的燈的特性范圍是不同的,為了得到符合工作要求的匹配,在選擇鎮(zhèn)流器時(shí),應(yīng)該使鎮(zhèn)流器的特性曲線(xiàn)保證在四邊形圖的范圍內(nèi)。

產(chǎn)品展示

    300W大功率LED光源系統(tǒng)，可以充分保證光催化實(shí)驗(yàn)條件光強(qiáng)和光譜的一致性，LED實(shí)現(xiàn)了其他光源所不能比擬的長(zhǎng)壽命（10000小時(shí)以上）、高穩(wěn)定性、高均勻性（與太陽(yáng)能模擬器媲美）。LED光源在光催化、光降解、電池測(cè)試、光致發(fā)光、生物、物理光學(xué)、化學(xué)合成、煤化工、染料化工、石油化工等領(lǐng)域有無(wú)可比擬的優(yōu)越性。 

    LED光源尤其在光電化學(xué)測(cè)試、光化學(xué)、催化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)中，具有超高的穩(wěn)定性和光的單色性。