光源与照明基础知识

光源与照明基础知识

一：光源的特性参量

1光源的辐射特性

光是一种电磁波，它的波长区间从几个nm（1nm=10-9m）到1mm左右。人眼能看见的只是其中一部分，称为可见光。光除具有波动性之外，还具有粒子性。

2照明光源的光学特性

照明光源的光学特性必须用基于人眼视觉的光量参数描述。

1．2．1光强度、光通量、光照度和光亮度

A：光通量

光源在单位时间内所发出的光量称为光源的光通量，单位Lm（流明）。

B：光强度

光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向的光强度，光强的单位是cd（坎德拉、烛光）

C：光出（射）度和光照度

光源的光出（射）度就是光源上每单位面积向半个空间发出的光通量，光出度在数值上等于通过单位面积所传送的光通量。表示表面被照明程度的量称为光照度，它是每单位面积上受到的光通量数。光出度和光照度的基本单位都是Lm/m2

D：光亮度

光源在给定方向上的光亮度也就是它在该方向的单位投影面上光强度，光亮度的基本单位是nt（尼特）。

1．2．2光源的色温和显色性

作为照明光源，除了要求发光效率高之外，还要求它发出的光具有良好的颜色。光源的颜色有两方面的意思：色表和显色性。人眼直接观察光源时所看到的颜色，称为光源的色表。显色性是指光源的光照射到物体上所产生的客观效果。如果各色物体受照的效果和标准光源（黑体或重组日光）照射时一样，则认为该光源的显色性好（显色指数高）；反之，如果物体在受照后颜色失真，则该光源显色性就差（显色指数低）。

4光源的电气特性和寿命

1．4．1光源的电气特性

在测量光源的光学特性的同时常常要求测量光源的电气特性。对白炽灯来说，其电参数为流经灯管的电流、灯管上的电压降及灯消耗的功率。对气体放电灯，情况比白炽灯复杂。对工作于交流的气体放电灯，电功率等于VIcos?，cos?称为灯的功率因数。

在进行测量之前，灯必须经过100h的老炼，以使其特性稳定。在测量过程中，灯的参数受到众多因素的影响，所以有必要对诸如环境温度、通风条件、点燃位置、电源频率以及灯的接线方式等实验条件加以控制。

1．4．2灯和寿命

灯的寿命是评价灯的性能的一个重要指标。灯的寿命有全寿命和有效寿命之分。灯从点燃到不能工作的时间称为灯的全寿命。有效寿命则是根据灯的发光性能来定义的。当灯所发出的光下降到其初始值的80%（或70%）时，它所已经点燃的时间被定义为它的有效寿命。二：白炽灯

现在广泛使用的钨丝灯就是利用热辐射现象做成的光源，黑体辐射也属于热辐射的范畴。1黑体辐射的基本规律

所谓黑体，就是指这样一种物体，它能够在任何温度下将辐射到它表面上的任何波长的能量

全部吸收。任何辐射体的光谱辐射出其不意度都比黑体的小。理想的黑体是没有的，但是可造出与其性质极相似的物体。

2白炽灯的材料与结构

它由灯丝、支架、引线、泡壳和灯头几部分组成。现在大部分白炽灯泡内都充氩、氮或氩——氮混合气体，只有少数小功率灯泡是真空的。

白炽灯是根据热辐射原理制成的，通常它是靠电能将灯丝加热至白炽而发光。用作灯丝的材料应满足以下几方面的要求：A）熔点高。B）蒸发率小。C）可见辐射选择性好。D）有合适的电阻率。E）加工容易。F）机械强度好，使用时耐振动和冲击。

钨有正的电阻特性，在工作温度时的电阻远大于冷态（20c0）时的电阻。一般白炽灯灯丝的热电阻是冷电阻的12~16倍，所以在灯启动时有较大的电流通过。

泡壳也是白炽灯的重要组成部分。泡壳通常采用钠钙玻璃，大功率灯用耐热性能好的硼硅酸盐玻璃。对于泡壳可作多种特殊处理以满足照明要求。

在白炽灯中，采用杜镁丝与铅玻璃芯柱实现匹配封接。外导线以铜或镀铜铁为主。为防止灯丝烧断时产生电弧，在外导丝上串接镍系合金保险丝。

灯头是白炽灯的电连接和机械连接部分，按形式和用途主要可分为螺口式灯头、插口式灯头、聚焦灯头以及各种特种灯头。

在普通白炽灯中充氩氮混合气体，氮的主要作用是防止灯泡产生放电。混合气的比例根据工作电压、灯丝温度和导入线之间的距离而定。对220V的灯，Ar的百分比为84~88%，N2的百分比为16~12%；对100V的灯，Ar的比例可上升到88~95%，N2的比例下降到12~5%。充气压为80~87Kpa。

消气剂也是白炽灯的一种重要材料。它能吸收灯中的大量氧气、水汽等杂质气体。白炽灯中最常用的消气剂是红磷，五氮化三磷也是一种非常有效的消气剂。在大功率白炽灯中也有用锆粉和锆铝16合金作为热消气剂的。

2．3白炽灯的充气问题

通过大量的实验工作，发现在灯泡中充入氩、氮等气体，可以有效地抑制钨的蒸发，从而可以使灯丝的提高到2700~3000K。但由于所充气体的热传导和热对流造成的附加热损失，即所谓气体损失，灯的光效比同样温度的真空泡低。

充气能抑制钨的蒸发，所充气压越高，效果越好。

因所充气体的热导作用，灯损失功率Pc，当气压增加时，这部分功率损失也增加。这一作用与充气的前一效果是相反的。

所充惰性气体的分子量越大，抑制钨蒸发的效果越好，气体的热导损失也越小。

充气灯中应采用螺旋形灯丝，因为缩短灯丝长度对延长寿命和减少热导损失都是有益的。三：卤钨灯

在充气白炽灯中钨仍然是要蒸发的，只不过速度减慢而已。钨的蒸发即然是不可避免的，那么是否可以采取措施让蒸发出来的钨形成易于挥发的化合物，而这些化合物在灯泡附近分解，让钨重新回到灯丝上去。如果这样的话，钨丝的工作温度和光效就可大大提高，而泡壳在点燃过程中并不发黑。

氟、氯、溴、碘各种卤素都能够产生钨的再生循环，它们之间的主要区别是发生循环反应所需的温度以及与灯泡内其它物质发生作用的程度有所不同。在适当的温度条件下，从灯丝蒸发出来的钨在泡壁区域内与卤素反应形成挥发性的卤钨化合物。当卤钨化合物扩散到温度较热的灯丝周围区域时又分解成卤素和钨，释放出来的钨部分回到灯丝上，而卤素再继续扩散到温度较低的区域与钨化合，这一过程称为卤钨循环或再生循环。

卤钨灯的管壁温度不应高于所使用的卤素的反转温度。

在接近灯丝的高温区域，卤钨化合物分解，释放出来的钨在灯丝周围形成原子云，部分钨沉

积到灯丝上。不幸的是，在大多数情况下这些钨并不是回到它们原先蒸发出来的地方，即“热点”处；而是沉积在靠近支架和尾部等处灯丝的较冷部位。但大家知道，在白炽灯中灯丝烧断的一个主要原因是热点发展的结果。经验指出，灯丝的蒸发总是不均匀的。由于某种原因，例如化学成分的不均匀，钨丝某一部分的电阻率比其他部分高，这导致钨丝的这一小部分温度高于其他部分，形成热点。而钨丝的蒸发速度随温度指数上升，热点的直径就比灯丝其他部分减小得快。这样，热点温度更快上升，直至熔点，钨丝便烧断。从这一过程来看，要延长灯丝寿命，必须使钨通过循环回到热点上；而这一点碘、溴、氯的再生循环是不能做到的，所以这三种卤素的循环并不直接延长灯丝的寿命。只有氟钨循环是例外。钨的氟化物稳定性很高，它的分解温度比其他钨的卤化物都高，到3400K时它才开始明显地分解。这就是说，钨的氟化物只在灯丝的热点处分解，分解出来的钨当然就回到热点上。这样，氟钨循环就抑制了热点的发展，延长了灯丝的寿命。有人做过这样的实验：故意用一根粗细不匀的钨丝做灯，在灯中采用氟循环剂，发现点燃一段时间后，钨丝变得均匀了。由此可见，从消除热点的角度来看，氟钨循环可以使白炽灯丝有无限长的寿命。

为了使管壁处生成的卤化钨处于气态，管壁温度要比普通白炽灯高得多。相应地，卤钨灯的泡壳尺寸就更小得多。例如，500W卤钨灯的体积只是通常的白炽灯的1%。这时，普通玻璃承受不了，必须使用耐高温的石英玻璃或硬玻璃。由于泡壳尺寸小，强度高，灯内允许的气压就高，加之工作温度高，故灯内工作气压要比普通充气灯泡高很多。既然在卤钨灯中钨的蒸发受到更有力的抑制，同时卤钨循环消除了泡壳的发黑，灯丝的工作温度和光效就可大为提高，而灯的寿命并不缩短。当然，如果灯丝的工作温度不变，灯的寿命就会大为延长。卤钨灯有消除泡壳发黑和提高光效（或延长寿命）的长处，但也有不足的一面。卤钨灯灯丝的丝脚或灯丝的支架的温度比灯丝中央部分低。在这些比较冷的区域反应可能朝着生成卤钨化合物的方向进行。这样，这些丝脚、支架就会被腐蚀、损坏。从反应的平衡图可以看出，卤钨化合物的稳定性按碘→溴→氯的次序增加（Kp增大），这说明在灯内比较冷的区域，溴对丝脚、支架的腐蚀比碘严重，而氯的化学腐蚀比前面两种卤素更厉害。

碘是最早采用的卤钨循环剂，以后又陆续采用溴、溴化氢和卤素的碳氢化合物等作为循环剂，对氟化物类的循环剂也已作过很多研究。

四、气体放电灯的基本原理

现在大量使用的光源除了前面所述的热辐射光源外，还有另一类光源——气体放电灯。

所谓气体放电就是指电流通过气体媒质时所发生的物理过程。

利用气体放电发光的原理制成的灯,便是从本章起所要讨论的气体放电灯.

在大部分灯内发光的基本过程是三级式的：自由电子被外电场加速；当运动的电子与气体原子碰撞时，电子的动能就转交给原子使其激发；当受激原子返回基态时，所吸收的能量以辐射发光的形式释放出来。自由电子不断被外电场加速，上述三级式的过程也就不断地在灯中进行。

4、1气体放电的基础知识

4、1、1气体放电的形成和分类

在图4.2中如果通过改变电源电压V0来测量在不同的放电电流时的灯管电压V，就得到如图4.1.9所示的关系曲线,此一曲线称为气体放电的全伏—安特性曲线。

G

Vz C D

B

E F H

A

10-9 10-6 10-3 1

气体放电的的全伏-安特性曲线

气体放电的全伏—安特性曲线的各段情况是这样的：由于外致电离，在灯管中存在带电粒子。在电场的作用下，这些带粒子向电极运动，形成电流。随着电场的增强，带电粒子的速度增加，复合减少，使电流增大，这就是OA段。当电场再增强时，所有外致电离产生的带电粒子全部到达电极，这时电流就饱和了，形成了AB段。如果电压V0再继续升高，则电场将使初始的带电粒子的速度增加到很大，它们与中性原子碰撞时能使之电离；而中性原子电离产生的电子又被电场加速后和另外一些中性原子作电离碰撞，形成更多的电子。这样一种繁衍过程使电子数雪崩式地增加。因此，往往称BC段为繁流放电或雪崩放电。在C点，通过灯管的电流突然增加至D点，管压降随即迅速降低，同时在灯管中产生了可见的光辉。C点称为气体放电的破裂点或着火点，相应的电压Vz称为灯管的着火电压。

4、1、2辉光放电

阴极溅射是辉光放电阴极上的一个特有的过程。辉光放电时，阴极受到正离子等的激烈轰击,使金属粒子从阴极表面飞溅出来，沉积到阴极附近的零件和管壁上，这种现象称为阴极溅射。关于阴极溅射，观察到下列规律性：

(1)、在低气压下，从阴极表面剥落下来的颗粒以直线方式向四面八方飞散。

(2)、当其他条件相同时，气压越高，阴极溅射就越少。

(3)、轰击阴极的离子质量越小，阴极溅射就越少。

(4)、阴极位降越大，阴极溅射就越厉害。

(5)、放电电流密度越大，阴极溅射就越厉害。

不同金属的溅射情况不同。在氦气中几种金属的溅射量按下列顺序递减：

Ag→Au→Cu→Pt→Fe→Al

显然，在诸多金属中，A1、Ni、Fe的溅射较小，即抗溅射能力较强。为了防止溅射，一般放电管通常采用铝、镍等作为阴极材料。

4、1、3弧光放电

弧光放电可以用几种方法获得。通过升高电源电压或减小回路电阻增加电流，放电就从正常辉光进入异常辉光。再增加电流时，由于电流密度和阴极位降加大而使正离子动能和数量不断增加，因此使阴极温度升高产生热电子发射；或者使阴极材料大量蒸发而在阴极附近薄的范围内产生很高的气压，形成极强的正空间电荷，从而产生强电场发射。无论是形成哪一种发射，都是使放电由辉光过渡到弧光。对前一种发射，阴极工作温度很高，所以称为热阴极电弧；对后一种发射，阴极工作温度不高，所以称为冷阴极电弧。弧光放电也可以不是由辉光放电过渡而来，而是由电极分离获得。在电极分开的瞬间产生火花，其中含有浓度很大的电子和离子。在这些电子和离子作用下迅速形成热阴极电弧或冷阴极电弧。

弧光放电通常由阴极位降区、正柱区和阳极位降区三部分组成。电弧的阴极位降值和阳极位降值都不大。弧光放电的阴极位降只有10V左右，约是辉光放电的十分之一。因此，与工作于高电压、小电流的辉光放电相反，弧光放电是工作于低电压、大电流。

根据决定电弧形状和稳定性的因素，可将电弧分为三类，即有三种稳定型电弧：（i）管壁稳定型电弧。当电弧发生在或大或小的狭窄的圆柱形管子中时，放电电弧的形状和电弧的稳定性完全由管壁的冷却作用所决定。（ii）对流稳定型电弧。在极间距离比较大的情况下，在宽广的容器中或在敞开的大气中，围绕发光电弧的灼热气体所引起的对流对电弧的形状和稳定性起着主要的作用。（iii）电极稳定型电弧。在电极间距离很小的情况下，电弧形状决定于阴极和阳极附近电弧的收缩。在这种情况下，电弧的形状接近于旋转椭球。以后将会看到，高压汞灯、高压钠灯等是管壁稳定型电弧，碳弧、短弧氙灯属对流稳定型电弧，球形超高压汞灯是电极稳定型电弧。

4、2气体放电灯的稳定工作

4、2、1气体放电灯的负阻特性

将具有负伏—安特性的放电灯单独接到电网中去时，工作是不稳定的。它将会导致电流无限制的增加，最后直到灯或电路的某一部分被过电流毁坏为止。

把灯和电阻串联起来使用，就可以克服电弧固有的不稳定性。在交流的情况下，还可用电感或电容来代替电阻。与电弧相串联的电阻、电感、电容等统称为镇流器或限流器。

4、2、2电感镇流

为了避免电阻造成的功率损耗，在交流电时通常采用电感做镇流器。

与电阻镇流相比，电感镇流有很多优点。除电感损耗的功率小以外，一个重要的优点是灯的管压（或灯的电流）滞后电源电压一定位相α，因此这种镇流电路称为滞后型电路。当管压为零时，电源电压却已上升到比较高的值，有助于重复着火，从而使灯无电流的时间基本上消除，灯的工作更为稳定。

五、低压水银荧光灯

水银又称汞，在常温下是银白色的液体，熔点为—38.87℃，沸点为356.58℃。汞的化学性质不活泼，不会与灯中的材料，如钨、钼和玻璃等发生反应。汞是气体放电灯中十分重要的填充物。汞与多种金属，如钠、铟和钛等能生成汞齐。在不少灯中汞是以汞齐的形式充入的。由于汞对人体有毒害，因而必须注意劳动防护和环境保护的问题。

在灯中汞的饱和蒸气压由灯管壁最低温度，即冷端温度所决定。

除了通过升高汞的蒸气压的方法来提高光效之外，人们还对将汞的大量紫外辐射转变为可见光的途径进行了探讨。试验发现，使用适当的荧光粉，可以有效地将253.7nm和365.0nm 等紫外线转变成所需要的可见光。低压水银荧光灯和荧光高压汞灯就是根据这一原理制成的。

5.1低压汞蒸气放电的实验研究

荧光灯俗称日光灯。自1938年登上照明舞台以来，它不断推陈出新，成为诸多气体放电灯中最为成功和应用最广的一颗明星。在钠、钙玻璃管的内壁上涂有荧光粉。在灯的两端各有一个电极，电极通常是由钨螺旋做成，上面涂有热电子发射材料。在高负荷的灯中，电极周围还有屏罩。灯内充有汞和惰性气体（如200~660Pa的氩气）。放电发生在低气压的汞蒸气和惰性气体的混合气中，产生很强的253。7nm紫外辐射，经荧光粉转换为可见光。既然低气压汞蒸气放电自身产生的可见光很少，荧光灯的发光效率主要取决于两个因素：产生253。7nm紫外辐射的效率和荧光粉将此一紫外辐射转换为可见光的效率。

5.1.1低压汞蒸气放电的最佳汞气压

低压汞蒸气放电的最佳汞蒸气压,相应于40℃时汞的饱和蒸气压。因为饱和蒸气压是由灯管冷端温度所决定，所以，为使灯的ηuv最高，应该使灯最冷处的温度维持在40℃。显然，这和灯的功率、结构、形状、环境温度和冷却条件等有关。为制造方便，大多数灯都做成圆柱形，整个灯管表面的温度分布比较均匀。通常灯的电极后面只留很少空隙，不形成冷端。这样，管壁温度就取决于表面负载。在环境温度为25℃时，要使ηuv最高，不涂荧光粉的自然冷却的灯的表面负载应为0.04~0.05w/cm2。如果灯置于通风或温度低的地方，由于PHg 的下降，效率会降低很多。而环境温度的升高，也同样会使效率下降。据估计，管壁温度每升高1℃，效率降低1%。

5.1.2惰性气体的作用

在低压汞灯中，一定要充一些惰性气体。如果灯中没有惰性气体，放电就很难发生。这是因为低压汞灯中PHg只有10-1Pa，电子的平均自由程长达5cm。也就是说，平均一个电子在经过了5cm以后，只和汞原子碰撞一次，可见碰撞的机会很少。灯的直径一般只有几个厘米，这样一来，极大多数电子根本没有机会和原子碰撞就打到灯的管壁上去了。既然电子和原子碰撞的机会很少，原子被电离和激发的机会当然也少，那么放电就很难建立和维护持。

充入一些惰性气体后，情况就不同了。如果在低压汞灯中充入102Pa氩气，就会发现电子在这种汞—氩混合气中的平均自由程大为缩短，只有0.01cm左右。此时，电子就会和氩气原子发生频繁的碰撞，使电子从阴极向阳极运动的路径变长，从而增加了和汞原子碰撞并使之激发、电离的机会。由于汞的激发电位和电离电位都比氩低得多，因此在与电子碰撞的过程中，主要是汞原子被激发和电离。另外，汞—氩混合气的潘宁效应也有助于低压汞灯的启动。在低压汞灯中,氩气能帮助启动,但对辐射并无多大贡献,故称之为启动气体或辅助气体。以后将会看到，金属蒸气放电灯都需要充入启动气体。

5.1.3低压汞灯的直径和长度

从前面的讨论可知，灯的直径越大，光子从灯管逸出前要经过的路程越长，共振吸收的几率也越大，ηuv就会下降。那末，是不是管子越细越好呢？也不是的。管径细时，由于双极性扩散造成带电粒子大量在管壁上损失。为了维持放电，气体中必须有一定数量的电子和离子；在管壁上损失的带电粒子必须由原子的电离来补偿，为此电子温度Te必须升高。将汞原子电离为电子和离子需要花费一定的能量。管子越细，带电粒子的损失越多，电子用于电离的能量也越多；Te升高使高能级的激发增多。这两个原因都使ηuv降低。所以，灯管直径d既不能太粗又不能太细，有一个最佳值。既然共振吸收和Te值都与PHg有关，最佳管径当然也与PHg气压相关联。实验测得，在PHg为0.8Pa时，最佳管径为38mm。

对一定功率的灯，当灯的长度增加时，管压升高，相应地电流和电极损耗减小，辐射效率提高。当灯足够长时，电极损耗已经足够小了，再增加长度就不再有多大意义。为了使用方便，灯的长度一般都在1.2m以内，最长不超过2.4m，具体尺寸视功率而定。

5.2荧光粉层的光学特性

5.2.1灯用荧光粉

与热辐射相比，荧光是一种产生具有很少热能的光的过程。适当的材料吸收高能辐射，接着就发出光，所发光子的能量比激发光子的能量低。当发光的材料是因体时，该材料能常就称为荧光粉。激发荧光屏光的高能辐射可以是电子或具有高速度的离子，也可以是从γ射线到可见光范围的光子，但其波长要比发射的光的波长要短。在荧光灯中，是靠放电产生的253.7nm的紫外辐射来激发荧光粉产生要求的可见光谱，因此是一个光致发光过程。

为了使灯有较高的光效和很稳定的性能，也为了便于灯的生产，灯用荧光粉必须满足以下的要求：

⑴对汞电弧的紫外辐射有很强的吸收。

⑵很少吸收可见光。

⑶能有效地将吸收的紫外辐射转变为可见荧光辐射。

⑷受紫外辐射和电子、离子轰击几千小时后仍很稳定。

⑸在700℃以上的温度下，短时间暴露于氧化或还原气氛时仍然稳定。

⑹在含有有机聚合物的溶液中形成非凝聚悬浮体。

⑺做成粉时，能控制粉的粒度范围。

⑻能在容易得到的温度和气氛条件下制粉。

⑼可得到高纯度的材料。

⑽色度重现性很好。

除了上述各条件之外，还有一些同等重要的实际问题应该考虑，如原料赤源和生产成本等。荧光灯最初是采用锰激活的硅酸锌和硅酸锌铍荧光粉，以及钨酸钙和锰激活的硫酸锌、硼酸镉荧光粉，以后就被称为卤磷酸盐的一系列荧光粉所取代。卤磷酸盐荧光粉将253.7nm紫外线转变成可见光的效率更高一些，并且能在长期内保持性能稳定，另外也更容易制成涂粉所需的细颗粒，成本低，毒性也小。到目前为止，卤磷酸盐荧光粉仍然是荧光灯中最常用的荧光粉。

卤磷酸盐荧光粉中有两种激活剂：主激活剂锑和激活剂锰。相对应地就有两个发射带：一个带在蓝区，另一个带在红区。当锰的含量逐渐增加时，蓝色谱带受到抑制，红色谱带得到增强。因而，通过改变锰的含量，卤磷酸盐荧光粉的发光颜色可以从深蓝色经深浅不同的白色变成相当纯的橙红色。在卤磷酸钙荧光粉中，有大约20%的氟离子为氯离子所置换。当荧光粉中的氯离子含量增加时，蓝色和红色谱带的峰值位置都要向长波方向移动。这样，通过精确控制荧光粉的组成，用卤磷酸盐荧光粉可以做成2500~7500K的各种色温荧光灯。这一特性使其成为十分令人满意的灯用材料。

随着色觉研究的进展，人们发现不仅人眼的灵敏度随波长而变，而且分辨色彩的能力也是在特定的波长处有极大值，在以450，540和610nm附近的波长为峰值的三个比较狭窄的波长区域内，人眼有强的色觉反应。

在所要求的光谱区域内产生窄带辐射的荧光粉（俗称三基色荧光粉）和新一代的荧光灯应动而生。三窄带荧光灯解决了普通荧光灯长期存在的光效和显色性的矛盾。这种新一代荧光灯的光效η不低于80lm/W，而一般显色指数Ra在85以上。

5.3荧光灯的设计要点

5.3.1电极的设计

电极是荧光灯的一个极其重要的部件。对交流工作的灯来说，它即是阴极，又是阳极。它必须能有效地发射和收集电子，保证灯易于启动，而且能维持长期工作。荧光灯的寿命主要取决于电极的寿命。

荧光灯的阴极主要是产生热电子发射。这一功能与它的结构形式以及热电子发射材料密切相关。荧光灯阴极的结构形式很多，主要有以下四种：

双螺旋阴极，即将已绕成螺旋形的钨丝再绕成螺旋形。

纺织阴极，即先用8根钨丝编成管形，然后再绕成螺旋形。

三螺旋阴极，这是先在钨丝上绕以很细的钨丝，然后像绕双螺旋那样再绕两次。

棒状阴极，与第三种阴极一样，也是在钨丝上先绕很细的钨丝，但最后只绕一次螺旋。

上述结构的阴极沾满以碳酸钡、碳酸锶和碳酸钙为主体的电子发射材料。这些材料在制灯过程中分解为氧化物。

5.4荧光灯的特性和应用

5.4.1荧光灯的工作电路

荧光灯最常用的工作电路是开关启动电路，当电源接通时，220V电压不能使灯启动，但能使启辉器以生辉光放电。辉光放电时产生的热量加热了双金属片，使双金属片向外弯曲并和固定的电极接触。于是电流便流过启辉器、镇流器加热电极灯丝，使其达到热发射的温度。当双金属片一旦闭合，辉光放电就停止，双金属片开始冷却。冷却到一定温度后，两电极又重新断开，双金属片恢复原状。两电极闭合的一段时间也就是灯丝的预热时间，这一段时间的长短要适当（约0.5~2s），太长会缩短灯丝的寿命，太短又会因预热时间不够使电子发射物质损耗增大。灯丝经过预热，发射出大量电子，使灯的启动电压大大降低（通常可降低到未预热时启动电压的1/2—1/3）。同时，在启辉器两电极断开的瞬间，灯丝的加热电流突然被切断，在镇流器的两端产生一个很大的自感电动势。这个电压与电源电压叠加后作用到灯上，使灯开始放电，这样灯就点燃。灯点亮后，加在启辉器上的电压即灯两端的电压）只有约100V，而启辉器的熄灭电压在130V以上，所以这时启辉器不会发生动作。这就是荧光灯的预热启动过程。

最简单的工作电路是瞬时启动电路。在这种电路中，将足够高的电压加到放电灯和镇流器串联的电路上，使灯内气体电离并且不经过辉光放电阶段的短暂停留而直接到达额定电流。在开路电压加上的一到二周内放电电流和光输出立即达到正常工作数值。很显然，这种工作方式对阴极的损伤较大。

5.4.2光输出维持特性

光输出维持特性是指灯的光输出随点燃时间的变化情况,它又称流明维持特性，或简称维持特性。影响荧光灯光输出维持特性的因素很多，包括玻璃的成分、灯的表面负载、充入的惰性气体的种类和压力、涂层悬浮液的化学添加剂、荧光粉的粒度和表面处理以及灯的加工过程等。例如，对高负载的灯和充气压力较低的灯，由于185.0nm绝对辐射增加以及185.0nm 和253.7nm的相对比值增加，灯内荧光粉受到的损伤较大，因而灯的光输出维持性能变差。在荧光粉工作相当长一段时间后，发现荧光粉涂层的表面呈明显的灰色。据认为，这主要是由于光化反应所致。此外，金属汞微粒在表面的吸附和氧化亚汞在表面的沉积也是部分原因。六：高压汞灯

高压汞灯，电弧管用石英玻璃制成，内充一定量的汞和少量氩气。采用自热式阴极。外泡壳除起保温作用下，还可防止环境对灯的影响。如在外壳内表面涂以荧光粉，则构成荧光高压汞灯。

6.1高压汞灯的设计要点

6.1.1灯管电参数的选择

为了减少电极损耗，提高灯的光效，以及缩小镇流器的尺寸和提高电源的功率因数，都要求灯的管压降尽可能高一些。但是提高管压又受到灯的工作稳定性的限制。如果管压取得太高，则灯容易由于电源电压的突然下降而熄灭。在交流灯的情况下，灯每半周熄灭和重新点燃一次。管压取和很高时，则灯重新点燃因难，甚至于不能复燃。综合这几方面的考虑，管压一般取为电源电压的70%左右。在电源电压为220V时，高压汞灯管压为110~140V。

6.1.2电极的设计考虑

在高压汞灯和今后将要讨论的其他高强度气体放电灯中,不能采用荧光灯所用的氧化物阴极。这是由于在这类灯中，电极的功率损耗很大。单是正离子轰击施加给电极弧斑上的功率就可达约3×104W/cm2；加之灯内温度很高，经热传导到电极上的功率也不小。而氧化物自身的热导很差，因而工作温度就会升得太高，使发射物质很快蒸发光。在高压放电灯中也很少采用纯钨作为热电子发射材料。起先是采用功函数较低的钍钨电极，后来较多的是采用钡钨类的电极。现在用得比较多的是Ba3WO6，Ba2CaWO6，Ba1.8Sr0.2CaWO6和Ba3Y2WO9等钨酸盐。也采用钨酸盐和钼酸盐的固溶体作发射材料的，如Ba2CaWO6—Ba2CaM0O6和Ba3Y2WO9—Ba3Y2M0O9。与纯钨电极相比，含这些电子发射材料的电极的功率损失大为减少。这是因为这些电子发射材料的功函数比钍钨阴极还要小，前者为1.63~2.07eV,后者约为2.6eV。因而这些电极的发射性能更好，工作温度更低。钍钨电极尖部的最佳工作温度为2200~2500℃，而钡钨则为1500~1900℃。另外，从钡钨电极上蒸发出来的主要是氧化钡，而氧化钡是透明的，它与石英反应的产物也是透明的，因此不会使管壁发黑影响光输出。据报道，为了减少活性钡的蒸发率，在钨酸盐Ba1.8Sr0.2CaWO6中加入重量比为21.9%的氧化钇(Y2O3)，有很好的效果。

钍钨阴极和钡钨阴极都属于原子薄膜阴极。这类电极的基体是钨，在钨的表面有一个正电性金属的原子薄层，它和基体间形成电偶极层，从而大大减小电极的功函数。另外，由于这个单原子发射层本身就是金属，热导性很好，因此正离子轰击以及气体热导所施于它的热量能很快地传导到电极后部，再经热辐射而耗散出去。这样，发射层的温度就不会过高，发射物质就不会过快地消耗掉。

6.1.3荧光粉的选用

高压汞灯虽然有比较高的光效，但其光色较差。高压汞灯发出的一半以上的可见光能量集中在四根汞的特征谱线（404.7，435.8,546.1和578nm）上,因此它的光色偏蓝、绿，缺少红色成分。一般显色指数只有20左右。这对于要求较高的场合是不适宜的。为了克服这一缺点，在高压汞灯外壳内壁上涂敷适当的荧光粉，将灯的紫外辐射或短波长的蓝紫光转变为长波的

可见光，特别是红色光。现在用得比较多的荧光粉是钒（磷）酸钇，它能吸收紫外辐射，发射出峰值为620nm左右的红色光。它不但能改善高压汞灯的光色，而且能提高灯的光效。为区别起见，我们也称外壳涂荧光粉的高压汞灯为荧光压汞灯。

对高压汞灯最佳光谱所进行的研究，不仅表明将620nm的辐射加入到高压汞灯的光谱中对改善灯的显色性是十分重要的；而且还指出加入590nm左右的辐射有利于提高灯的光效，而要做成色温为3000~4000K的灯，需要去除部分汞的蓝线。实验发现，钇铝石榴石，即铈激活的铝酸钇（Y3Al5O12：Ce，简写YAG：Ce）能吸收汞的435.8nm蓝线，激发产生峰值为560nm的长波辐射。该峰值与提高光效要求加入的590nm很接近。因此，混合采用YVO4：Eu和YAG：Ce荧光粉，就可做成显色性较好的、光效较高的低色温的高压汞灯，使高压汞灯的性能跃上一个新的台阶。

6.2高压汞灯的制造

6.2.1电弧管的加工

高压汞灯最重要的部分是电弧管。对其他功率和型号，电弧管的基本结构仍然相同，但具体尺寸不同，当希望高压汞灯在低温时仍有良好的启动性能时，在电弧管的两端都有由钨（或钼）丝做成的辅助电极。电弧管的工作温度很高，一般在600~750℃，具体视灯的功率和工作位置而定。故高压汞灯的电弧管通常由石英玻璃制成，能在高达800℃的温度下工作。6.2.2电极的加工

芯杆绝大多数情况都采用钨，有时也有用钼的。内、外螺旋都是钨的。有时，内螺旋不是由钨丝直接绕成的，而是由细钨丝绕成螺旋（或双螺旋）后再绕成的，也就是双螺旋（或三螺旋）结构。采用双（或三）螺旋作为内螺旋，既可减少电极的热容量，又可增加电子发射材料的容量，使灯容易启动并有长寿命。电极工作时，尖部的温度为1500~1900℃，螺旋的温度为1000~1400℃。

通常采用浸渍法在电极螺旋的空隙中注满电子发射材料。该材料包括钡和锶的碳酸盐、氧化钍以及其他的添加物。经浸渍的电极在原气氛中加热到2000~2200℃，使碳酸盐还原为氧化物。电极过热造成钨的蒸发，灯的光维持性能恶化。对于小功率灯，电子发射材料的量难于控制。这时，可将钨粉和电子发射材料混合一同烧结，做成烧结式电极。

浸渍后在电极表面多余的电子发射材料在清除掉，否则它会很快蒸发到电弧管上，引起发黑。在加工过程中还应该注意不使电极芯杆头上和螺旋的端部产生尖锐的毛剌，因为这些地方易于熔化，造成发黑。

第七章金属卤化物灯

7.1.1金属卤化物循环

早在1911年施泰因梅茨就发现,在汞电弧中引进金属卤化物时能产生金属的光谱。由于当时采用汞槽阴极，冷端温度约357℃，故除碘化铟、碘化铊外，多数金属化物的蒸气压很低，光谱强度很弱。直到50年低末60年代初，一些实验室才重新研究用卤化物改进汞灯的光色，取得了成功。现在已经用许多金属卤化物做出了多种类型的灯。用于照明的金属卤化物灯，不仅光色比高压汞灯大为改善，而且光效也有很大的提高。金属卤化物灯和高压钠灯一样，是继白炽灯、荧光灯之后的第三代光源。

在灯中之所以采用金属卤化物，是因为它有两个很好的特性：

金属卤化物的氟化物的蒸气压一般都比金属自身的蒸气压高得多。几乎所有的金属卤化物，在1000K时的蒸气压都大于100Pa。

除金属的氟化物以外，其他金属卤化物都不和石英玻璃发生明显的化学作用。所以，添加金属卤化物能有效地克服添加纯金属时所碰到的那两个困难。

应该说明的是，有些碱金属，譬如钠，卤化物的蒸气压反比金属还低。但是，在灯中仍用卤化物而不用纯金属。这是利用金属卤化物的第二个特性，防止钠对石英玻璃的腐蚀作用。

7.1.2汞在金属卤化物灯中的作用

大部分金属卤化物灯内都充汞。但是，汞在这种灯中所起的作用与高压汞灯中不同。

在高压汞灯中，汞是发光物质；但是在金属卤化物灯中，汞的辐射所占的比例却很小。为什么汞蒸气压比金属卤化物高得多，而它的辐射反而小呢？这是因为通常所用的金属的激发电位较低，一般为4V左右，而汞的平均激发电位为7.8V，因而受激的金属原子反而比受激的汞原子多，所以金属光谱的强度远超过汞光谱。

既然汞对辐射击的贡献较小，为什么灯内要加入汞呢？这是因为如下三方面原因：

加入汞可以提高灯的发光效率。通常灯中金属卤化物的蒸气压，只有0.001~0.1atm，气压较低，因而电弧中心的金属原子和卤素原子向管壁扩散并复合的过程很快。金属卤化物在分解时要吸收能量，在复合时又要放出能量，所以分解和复合的过程太快，就使电弧中能量的损失增大，灯的发光效率降低。同时，低气压放电时，管壁温度和电弧中气体温度都比较低，相应地卤化物的蒸气压也较低，并且卤化物的离解又可能不够，金属原子就不能被强烈地激发。为了解决以上矛盾，可在灯内充入其他气体，建立高气压（1~10atm）放电。充入的其他气体起了阻碍金属蒸气和卤素气体扩散的作用，故称为缓冲气体。汞的热导率很小，是目前最常用的缓冲气体。氙气的热导率也较低，也可作为缓冲气体。在某些情况下，还可采用其分的惰性气体。实践证明，用汞作为缓冲气体，比用氙时光效高。

入汞可以改善灯的电特性。在高压汞灯中，灯的电场强度和管压都由汞蒸气压决定。在金属卤化物灯中，由于金属卤化物的蒸气压很低，如果没有汞，电子和迁移率就很大，因而电场强度和管压很低。要做成大功率的灯，灯的电流就必须很大。加入汞以后，灯内的气压大为升高，电场强度和管压也就相应地升高。由于金属卤化物的蒸气压与汞蒸气压相比很小，因此一般来说它对管压的影响不很大，管压主要由汞蒸气压决定，汞量必须严格控制。当然，也有一些卤化物要严重影响灯的电参数。这留待以后说明。

加入汞有利于灯的启动。将充氙和充汞的情况相比，虽然两者的工作气压相近，但在冷态时气压相差很大。由于在室温时汞的气压很低，因此启动要比充氙时容易得多。另外，在金属卤化物灯中，汞还能和卤素原子生成卤化汞，减少卤素原子对启动造成的不利影响。

所以，一般情况下都采用汞作为缓冲气体。有时也用氙或其他惰性气体。充氙的灯一点燃就有比较高的管压和功率，启动时间短；此外，充氙还有适当降低色温和防止汞对环境污染等优点。对某些金属卤化物灯，因为卤化物本身蒸气压很高，足以有效地阻碍金属原子和卤素原子的扩散，所以可不必充汞，超高压铟灯就是一例。

7.1.3金属卤化物灯的分类

金属卤化物灯虽然品种繁多，但按其光谱特性大致可分为以下四类：

选择几种发出强线光谱的金属的卤化物，把它们加在一起，得到白色的光源，典型的例子是碘化钠-碘化铊-碘化铟灯。

利用在可见区能发射大量密集线光谱的金属，得到类似于日光的白光，碘化镝-碘化砣灯就是一例。

利用高气压的金属蒸气放电或种用分子发光产生连续辐射，获得日光色的光，超高压铟灯和氯化锡灯属于这一类。

利用具有很强的共振辐射的金属产生色纯度很高的光，例如碘化铊-汞灯能发生绿光。（完）

编者按：此资料涉及常见光源的一些原理和工艺，对白炽灯、卤钨灯、荧光灯、高压汞灯和金属卤化物灯的原理偏重阐述，由于篇幅有限，不详尽在所难免。初衷在于共同学习，未能涉及到的超高压汞灯、钠灯、氙灯和脉冲灯等光源有机会再作共同探讨。