李煒 周振民 陳佐興 張善端

(1 復(fù)旦大學(xué)電光源研究所;先進(jìn)照明技術(shù)教育部工程研究中心，上海市 200433;2 上海亞明燈泡廠有限公司，上海市 201801)

1 陶瓷金鹵燈發(fā)展現(xiàn)狀

陶瓷金鹵燈電弧管的工作溫度比石英金鹵燈高200℃以上，具備光效高、顯色性好、壽命期間色溫偏差小以及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是性能最高的電光源之一，作為高端產(chǎn)品已逐漸被市場(chǎng)認(rèn)可。小功率陶瓷金鹵燈廣泛用于室內(nèi)商業(yè)照明，中大功率陶瓷金鹵燈逐步在道路照明中得到推廣［1］。1990年代中期，飛利浦率先實(shí)現(xiàn)陶瓷金鹵燈的產(chǎn)業(yè)化，之后歐司朗、通用電氣、松下、巖琦等公司跟進(jìn)并達(dá)成專(zhuān)利共享。

陶瓷金鹵燈是國(guó)內(nèi)氣體放電光源研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，主要目標(biāo)是自主制造半透明陶瓷管，優(yōu)化電弧管的電極封接和藥丸成分，提高燈的光效和壽命。國(guó)內(nèi)企業(yè)自2005年起開(kāi)始研發(fā)陶瓷金鹵燈，采用的都是毛細(xì)管封接工藝，目前已實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)［2－4］。亞明公司開(kāi)發(fā)了陶瓷管的生產(chǎn)工藝和設(shè)備，克服了電極封接、陶瓷管腐蝕等難題，在國(guó)內(nèi)企業(yè)中率先實(shí)現(xiàn)了陶瓷管、電弧管、整燈、鎮(zhèn)流器和燈具組合的自主研發(fā)，形成了年產(chǎn)100萬(wàn)只的批量生產(chǎn)能力，實(shí)現(xiàn)了4種功率 (20，35，70，150 W)小功率陶瓷金鹵燈及其配套電子鎮(zhèn)流器新產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化［5－8］。對(duì)于功率70 W色溫3000 K的陶瓷金鹵燈，其參數(shù)可達(dá)到:光效90 lm/W，顯色指數(shù)92，8 kh光通維持率＞82%，壽命15 kh.目前國(guó)內(nèi)企業(yè)正致力于180～330 W中功率陶瓷金鹵燈的研發(fā)，以滿足道路照明的需求。

本文主要介紹第12屆國(guó)際光源科技研討會(huì)上報(bào)道的國(guó)外陶瓷金鹵燈的技術(shù)進(jìn)展，以及國(guó)內(nèi)在陶瓷金鹵燈產(chǎn)業(yè)化方面的進(jìn)步，指出下一步的研究方向是非飽和陶瓷金鹵燈和無(wú)汞陶瓷金鹵燈。

2 國(guó)外陶瓷金鹵燈技術(shù)進(jìn)展

2.1 非飽和陶瓷金鹵燈

電弧管是決定金屬鹵化物燈性能優(yōu)劣的最關(guān)鍵因素。在電弧管內(nèi)部，發(fā)生著復(fù)雜的物理、化學(xué)過(guò)程，因此電弧管的工作條件直接影響其內(nèi)部過(guò)程，從而影響光源的特性。由于多晶氧化鋁 (PCA)陶瓷管比石英玻璃管更耐高溫，陶瓷金鹵燈可以在更高的溫度下工作，因此其光效、顯色性更高，壽命期間的顏色一致性更佳。但普通陶瓷金鹵燈中金屬鹵化物只有部分蒸發(fā)，處于飽和蒸氣壓狀態(tài)，以氣相和液相共存。同時(shí)，由于連接鎢電極的鉬 (Mo)熔點(diǎn)有限，通常在電弧管兩端毛細(xì)管內(nèi)部引出電極，以使封接部位遠(yuǎn)離高溫電弧區(qū)，這就在毛細(xì)管中留下了間隙 (見(jiàn)圖1)［9］。這樣，燈燃點(diǎn)后液相金屬鹵化物 (熔鹽)就會(huì)進(jìn)入間隙中，形成冷端，使燈的參數(shù)隨冷端的變化而變化，同時(shí)液態(tài)金屬鹵化物也會(huì)腐蝕陶瓷管壁。

圖1 普通陶瓷金鹵燈的毛細(xì)管封接結(jié)構(gòu)［9］

圖2 用銥匹配封接的無(wú)間隙陶瓷電弧管［9］

飛利浦公司的Hendricx等發(fā)現(xiàn)金屬銥 (Ir)不但熔點(diǎn)高，而且其膨脹系數(shù)與PCA匹配，還耐鹵化物腐蝕，于是提出用Ir焊接鎢電極，由Ir與PCA匹配封接，取消了毛細(xì)管，形成無(wú)縫隙結(jié)構(gòu) (見(jiàn)圖2)［9］。這樣，管壁溫度可進(jìn)一步提高 (比毛細(xì)管結(jié)構(gòu)高250℃)，光源參數(shù)進(jìn)一步提高;而且由于金屬鹵化物完全氣化，處于非飽和狀態(tài)，不受冷端限制，因此燈的光色一致性大大改善，冷端的腐蝕也大大減小。

非飽和陶瓷金鹵燈的主要特性有［9］: (1)小尺寸，泡殼溫度提高250 K(非飽和1450－1550 K，飽和1200－1300 K)，使金屬鹵化物完全氣化;(2)光效比飽和式陶瓷金鹵燈提高20%，達(dá)120 lm/W; (3)壽命期間顏色穩(wěn)定 (＜3 SDCM);(4)色溫、色坐標(biāo)不隨燃點(diǎn)位置變化; (5)調(diào)光時(shí)顏色穩(wěn)定;(6)壽命20 kh;(7)溫升快，20 s到80%光通量;(8)高顯色性，可獲得跟鹵鎢燈相近的光譜，顯色指數(shù)98;(9)高管壁溫度，易于實(shí)現(xiàn)無(wú)汞放電。

2.2 無(wú)汞陶瓷金鹵燈

金鹵燈藥丸成分通常包括Hg和金屬鹵化物。其中Hg蒸發(fā)后提供足夠高的蒸氣壓以獲得高管壓，金屬元素輻射發(fā)光。近年隨著對(duì)環(huán)保的重視，金鹵燈無(wú)汞化的研究也取得進(jìn)展。最初飛利浦公司用Zn取代 Hg［10，11］，利用 Zn的分子輻射連續(xù)譜獲得高光效和顯色性。但用Zn取代Hg后，為維持高光效將犧牲顯色指數(shù)，同時(shí)由于需要更高的管壁溫度才能保證Zn的蒸氣壓，這加劇了對(duì)PCA管壁的腐蝕。

歐司朗公司的Kaning等采用了全新的無(wú)汞陶瓷金鹵燈方案［12］?？紤]到兩個(gè)有利因素:1)給定功率下，電弧截面越小，燈電壓就越高;2)電弧管內(nèi)低溫區(qū)不僅能產(chǎn)生有利于顯色指數(shù)提高的分子輻射，還能使電弧收縮。于是他們提出了一組基于TmI3的填充體系 (Xe－TlI－AlI3－TmI3)，該填充系不僅無(wú)汞，而且其分子輻射使光源參數(shù)比較理想:光效90 lm/W，顯色指數(shù)90，色溫3420 K，燈電壓70 V.其光譜也呈現(xiàn)出與傳統(tǒng)金鹵燈不同的分布特性，如圖3所示［12］。同時(shí)，他們還具體研究了 (Xe－Tl－AlI3－ReI3，Re為稀土金屬)系的分子連續(xù)譜特點(diǎn)，為無(wú)汞填充劑的選取提供了依據(jù)［13］。

圖3 填充Xe－TlI－AlI3－TmI3無(wú)汞陶瓷金鹵燈光譜［12］

圖4 兩件套陶瓷電弧管［14］

2.3 電弧管及其附件

陶瓷金鹵燈電弧管的成型工藝直接影響其質(zhì)量和光源的性能。常見(jiàn)的工藝有五件套成型和三件套成型。Dudik等提出了兩件套成型工藝 (見(jiàn)圖4)，指出其優(yōu)點(diǎn)在于成型過(guò)程中幾乎是無(wú)應(yīng)力接合［14］。

陶瓷金鹵燈中，電極的引入是一個(gè)十分復(fù)雜的工藝，該工藝要求所用金屬材料應(yīng)同時(shí)滿足以下要求:與陶瓷毛細(xì)管的膨脹系數(shù)匹配;熔點(diǎn)要高，耐高溫;耐鹵化物腐蝕;容易與鎢電極焊接。Baier等總結(jié)了陶瓷金鹵燈中使用的四種電極－陶瓷管封接方案［15］:Nb合金 (NbZrl);Mo－Al2O3金屬陶瓷;(微合金)Ir引線;多段式的電極組件。這幾種電極組件的熱膨脹系數(shù)和陶瓷材料都很接近，且化學(xué)穩(wěn)定性好。其中Nb合金 (NbZrl)組件可通過(guò)激光點(diǎn)焊組合成型，用玻璃焊料封接到陶瓷管。Mo－Al2O3電導(dǎo)率高，而熱導(dǎo)率適中，不會(huì)使接合處溫度過(guò)高。Ir引線化學(xué)穩(wěn)定性很好，高溫下蒸氣壓低，在非飽和陶瓷金鹵燈中的應(yīng)用如2.1節(jié)所示。但由于Ir是貴金屬，成本很高，一般只用于性能要求特別高的特種燈。多段式電極組件組合不同的金屬材料，使其發(fā)揮各自功能，但焊接技術(shù)是關(guān)鍵。

金屬鹵化物中廣泛使用的電極材料是釷鎢電極(ThO2－W)，這種電極具有電子發(fā)射性能好、耐蒸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)，但具有放射性。Uetsuki等研究了可取代釷鎢電極的兩種方案:2%Nd2O3－W，2%Sm2O3－W。采用這兩種電極的半導(dǎo)體曬版用超高壓汞燈老煉至200 h時(shí)，燈電壓上升小于釷鎢電極，紫外輸出維持率高，表明電極材料蒸發(fā)得到了抑制。電極尖端的照片也顯示200 h后電極尖端仍較完整［16］。

除了Hg和金屬鹵化物，He等提出可添加適量CeO2作為O2發(fā)生源，因 CeO2+Al2O3→ CeAl11O18+1/2 O2。產(chǎn)生的O2能促進(jìn)管壁處的鹵鎢循環(huán)，帶走管壁上沉積的W，從而提高流明維持率。但是產(chǎn)生的O2的量需嚴(yán)格控制［17］。

將電弧管封裝進(jìn)外泡殼前，需要在固定電弧管的支架上點(diǎn)焊消氣片，用于在燈工作時(shí)吸收殘留的或工藝引入的雜質(zhì)氣體，以確保外泡殼內(nèi)的真空度。Corazza等開(kāi)發(fā)了Zr－Fe－Y合金消氣片，通過(guò)跟蹤燈啟動(dòng)0～30 min外泡殼內(nèi)殘余氣體壓強(qiáng)的變化，發(fā)現(xiàn)Zr－Fe－Y消氣片的吸氣本領(lǐng)強(qiáng)于傳統(tǒng)的Zr－Al合金消氣片。同時(shí)，他們還開(kāi)發(fā)了Zr－Co－Re合金消氣片，并結(jié)合Zr－Fe－Y消氣片良好的吸氣特點(diǎn)，研制了更小巧的消氣片，可用于小型光源，對(duì)出射光的遮擋大為減少［18］。

2.4 驅(qū)動(dòng)與控制

高強(qiáng)度放電燈 (HID)作為氣體放電光源，其驅(qū)動(dòng)與控制十分復(fù)雜:啟動(dòng)時(shí)，需要瞬時(shí)的高電壓(脈沖)擊穿氣體，產(chǎn)生放電;啟動(dòng)后，又需要控制燈的電流，使其穩(wěn)定工作。前者是觸發(fā)器的作用，后者是鎮(zhèn)流器的作用。近年來(lái)，電子鎮(zhèn)流器的廣泛應(yīng)用，將啟動(dòng)和鎮(zhèn)流的功能整合在一起，不僅減小了器件體積，更提高了功率因數(shù)，節(jié)約電能。

Lester等總結(jié)了熒光燈、HID及LED的驅(qū)動(dòng)器及鎮(zhèn)流器，重點(diǎn)討論了每一種光源的特點(diǎn)及其對(duì)驅(qū)動(dòng)器、鎮(zhèn)流器的要求［19］。他把HID鎮(zhèn)流器分為三種類(lèi)型［19］:第一種類(lèi)型含全橋/半橋共振逆變器，可采用外部觸發(fā)器或一體化觸發(fā)器，見(jiàn)圖5(a，b);第二種類(lèi)型帶有非對(duì)稱(chēng)橋式共振逆變器，見(jiàn)圖5(c);第三種類(lèi)型使用受控電流源產(chǎn)生低頻方波交流電流，見(jiàn)圖5(d)。對(duì)于HID光源，其驅(qū)動(dòng)器和鎮(zhèn)流器的關(guān)鍵是:(1)提供足夠的高壓產(chǎn)生放電;(2)選擇合適的工作頻率，避免聲共振。這說(shuō)明要做好HID光源的驅(qū)動(dòng)和控制，必須研究其啟動(dòng)特性和頻率特性。

圖5 三種類(lèi)型的電子鎮(zhèn)流器結(jié)構(gòu)［19］.(a)帶外部觸發(fā)器的半橋/全橋共振逆變器; (b)帶一體化共振觸發(fā)器的半橋/全橋共振逆變器;(c)帶一體化共振觸發(fā)器的非對(duì)稱(chēng)橋式共振逆變器;(d)帶外部觸發(fā)器的方波電流源。

關(guān)于HID光源的啟動(dòng)特性，Sato等指出啟動(dòng)電壓的脈沖越寬，擊穿電壓越低。同時(shí)，通過(guò)模型計(jì)算充氣壓8 atm的氙燈在寬、窄脈沖下的擊穿電壓，驗(yàn)證了上述結(jié)論［20］。Tant等研究了用緩慢增長(zhǎng)的直流電壓點(diǎn)燈時(shí)金鹵燈的擊穿電壓，得到了不同直流偏置電壓下?lián)舸╇妷旱姆植紖^(qū)間［21］。Sobota等研究了交流點(diǎn)燈時(shí)的擊穿特性，通過(guò)ICCD成像技術(shù)，測(cè)量了兩個(gè)特征量——統(tǒng)計(jì)延遲時(shí)間 (statistical lag time)和形成延遲時(shí)間 (formative lag time)，結(jié)果顯示，前者可達(dá)0.15 s，比后者至少大兩個(gè)數(shù)量級(jí)［22］。此外，Estupinan等通過(guò)放電腔實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了HI濃度增加 (達(dá)ppm量級(jí))時(shí)擊穿電壓上升，同時(shí)通過(guò)對(duì)Xe和HI混合氣體進(jìn)行的計(jì)算模擬定量驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果［23］。

關(guān)于HID光源的頻率特性，van Erk等比較了Sc－Na金鹵燈超高頻工作相比低頻工作的優(yōu)點(diǎn)，指出超高頻工作的金鹵燈流明維持特性改善，原因主要在于:(1)高頻下，電場(chǎng)換向快，電弧管支架發(fā)射的電子來(lái)不及經(jīng)過(guò)充有N2的空間到達(dá)電弧管外壁，電弧管上的電子流通量減少，使Na損失減少;(2)交流工作下，陰極加熱時(shí)為點(diǎn)附著，冷卻時(shí)卻為擴(kuò)散附著，長(zhǎng)時(shí)間下，這一加熱模式的不對(duì)稱(chēng)性會(huì)損壞電極的尖端結(jié)構(gòu)。而高頻下該效應(yīng)不存在［24］。

聲共振也是HID光源在高頻下出現(xiàn)的一大難題。Kaiser等總結(jié)了探測(cè)聲共振現(xiàn)象的三種方法:聲發(fā)射測(cè)量，電參數(shù)測(cè)量 (電壓、電流、功率等)，以及電弧位移和擾動(dòng)的光學(xué)探測(cè)。他們綜合應(yīng)用了這三種方法，探測(cè)了70 W高壓鈉燈在3.8～4.4 kHz頻率范圍內(nèi)的聲共振情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3.9～4.1 kHz范圍內(nèi)，燈功率和阻抗有明顯上升，電弧彎曲;而聲強(qiáng)探測(cè)卻在4.2～4.4 kHz范圍內(nèi)增強(qiáng)［25］。

改進(jìn)鎮(zhèn)流器對(duì)燈的控制模式，也能提高鎮(zhèn)流器的控制質(zhì)量。Chen等提出燈啟動(dòng)后，通過(guò)跟蹤儲(chǔ)存在電弧中的能量E，可進(jìn)行更好地光輸出水平控制。這種控制方法與跟蹤燈電壓的控制方法相比，更能抗電壓的波動(dòng)。E可以度量燈的熱慣性 (thermal mass)，而燈功率越大，熱慣性越大。所以燈啟動(dòng)后其功率可由其熱慣性確定，并能根據(jù)相對(duì)光效－熱慣性曲線進(jìn)行光控制。由此制成的鎮(zhèn)流器可以匹配不同功率的燈，并有很好的光控制水平［26］。

2.5 診斷

對(duì)HID進(jìn)行診斷的目的在于深入了解相關(guān)機(jī)理，以?xún)?yōu)化各項(xiàng)制燈工藝，指導(dǎo)研究與生產(chǎn)。HID診斷主要有兩個(gè)范疇:一是通過(guò)各種成像技術(shù)獲得斷面的影像，如通過(guò)PCA斷面可了解腐蝕程度;二是通過(guò)光譜進(jìn)行“非接觸”式診斷，以獲取等離子體及相關(guān)成分的信息 (粒子濃度、電弧溫度等)。

陶瓷金鹵燈中，金屬鹵化物鹽與陶瓷管壁、與焊料的腐蝕情況是影響其性能和壽命的重要因素。要診斷腐蝕程度，X光透射成像可進(jìn)行定性分析，掃描電鏡 (SEM)可進(jìn)行定量分析。Takahara等應(yīng)用X光透射影像分析了無(wú)汞金鹵燈毛細(xì)管處的腐蝕深度，指出腐蝕深度與電極結(jié)構(gòu)的螺旋直徑及電極桿的伸出長(zhǎng)度有關(guān)，即與電極的溫度分布有關(guān)［27］。Ramaiah等通過(guò)掃描電鏡 (SEM)診斷了陶瓷金鹵燈電極封接不同位置處鹵化物滲入焊料的程度，并給出了計(jì)算滲透率的經(jīng)驗(yàn)公式［28］。Gielen等通過(guò)SEM診斷驗(yàn)證了陶瓷金鹵燈中存在著兩個(gè)可逆反應(yīng):

這兩個(gè)反應(yīng)將 Al2O3從熱端向冷端輸運(yùn)［29］。Toth等通過(guò)SEM和二次離子質(zhì)譜 (SIMS)診斷了Al2O3表面覆蓋的W層，從而可分析W的附著造成的光通量的下降［30］。Motomura指出，用于汽車(chē)前照燈的無(wú)汞金鹵燈在豎直燃點(diǎn)時(shí)電弧不對(duì)稱(chēng)，不能通過(guò)Abel轉(zhuǎn)換獲得光強(qiáng)的空間分布。他們應(yīng)用X光斷層攝影術(shù) (tomography)獲得了電極附近和電弧中央處層斷面上的光強(qiáng)分布，發(fā)現(xiàn)Sc電弧收縮，Na電弧擴(kuò)散。

光譜診斷能獲得等離子體的參數(shù)。Westermeier等應(yīng)用UHP燈作為寬帶連續(xù)譜光源，用吸收法測(cè)量了YAG陶瓷金鹵燈中Dy原子的濃度。通過(guò)Dy共振線的吸收輪廓確定Dy原子基態(tài)濃度;通過(guò)測(cè)量光性薄Dy線的發(fā)射系數(shù)，確定Dy原子的激發(fā)態(tài)濃度;通過(guò)以上兩者推斷等離子體溫度［31］。Curry等在300～1350 K溫度范圍內(nèi)，通過(guò)X光感應(yīng)熒光(XIF) 測(cè)得了 DyI3，DyI3－InI，TmI3和 TmI3－TlI體系中金屬和碘化物的蒸氣壓［32］。

2.6 加速壽命測(cè)試與標(biāo)準(zhǔn)化探索

進(jìn)行HID測(cè)試主要為了獲得光源的一些宏觀性能指標(biāo)，如光參數(shù) (光通量、光效)，色參數(shù) (顯色指數(shù)、色溫、色坐標(biāo))和電參數(shù) (電壓、電流、功率)等。這些測(cè)試本身很容易進(jìn)行，但重要的是如何用一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量不同品牌和型號(hào)的光源在不同的測(cè)試環(huán)境下得到的測(cè)試結(jié)果。光源基本光、色、電參數(shù)的測(cè)試及標(biāo)準(zhǔn)可以由企業(yè)、國(guó)家及國(guó)際組織設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一衡量。但是HID壽命的測(cè)試并非易事，原因在于HID光源的壽命一般＞10 kh，而采用加速測(cè)試 (如過(guò)功率等)使得燈的工作狀態(tài)發(fā)生復(fù)雜的變化，無(wú)法由加速壽命推測(cè)正常燃點(diǎn)的壽命。

近年來(lái)對(duì)HID加速測(cè)試的方法也進(jìn)行了諸多研究。Yang等通過(guò)20 min開(kāi)/20 min關(guān)實(shí)驗(yàn)加速測(cè)試2 kh時(shí)陶瓷金鹵燈的結(jié)構(gòu)及光學(xué)特性［33］。Itoh等在液氮環(huán)境中，以2 min開(kāi)/3 min關(guān)的方式，延長(zhǎng)輝光放電時(shí)間，進(jìn)一步加劇燈的損耗［34］。但這些方法只是單純靠頻繁開(kāi)/關(guān)光源加劇電極損耗和管壁黑化，并沒(méi)有對(duì)應(yīng)到實(shí)際的點(diǎn)燈時(shí)間。Gibson通過(guò)三種方法推測(cè)燈的壽命［35］:

(1)失效分布預(yù)測(cè)。中功率陶瓷金鹵燈的Weibull分布Ft=1 －exp［－(t/α)β］，其中α 為比例因子，β為形狀因子。根據(jù)該分布，燈的平均額定壽命 (50%的燈失效的時(shí)間)可估計(jì)為t50%=n1/βT .

(2)加速測(cè)試:以20%～70%過(guò)功率點(diǎn)燈，確定加速因子隨功率和型號(hào)的變化。

(3)虛擬失效分析:以其他性能參數(shù)作為指標(biāo)分析失效，如一定的管壓增量。

除了HID光源的壽命測(cè)試，F(xiàn)rancios等提出了相應(yīng)指標(biāo)，來(lái)表示HID光源顏色穩(wěn)定性隨時(shí)間的變化［36］。

2.7 理論模型

除了從實(shí)驗(yàn)上對(duì)陶瓷金鹵燈進(jìn)行相關(guān)的診斷和測(cè)量，還可以根據(jù)理論模型計(jì)算相關(guān)參數(shù)，來(lái)預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，指導(dǎo)現(xiàn)有產(chǎn)品的改進(jìn)以及新產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)。

vander Mullen將PLASIMO工具包用于描述HID燈中等離子體的狀態(tài)，構(gòu)建了含NaI和DyI3的金鹵燈模型。該模型的輸入?yún)?shù)包括:填充的化學(xué)成分、驅(qū)動(dòng)功率、電弧管形狀;輸出參數(shù)為等離子體特性:燈電壓、熱與輻射的產(chǎn)生、燈內(nèi)物質(zhì)分布、溫度分布、速率和壓強(qiáng)。模型計(jì)算的結(jié)果通過(guò)國(guó)際空間站微重力實(shí)驗(yàn)和地面離心機(jī)超重力實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證［37］。

Babaeva等通過(guò)nonPDPSIM等離子體模型研究了擊穿特性與電壓上升時(shí)間、極性及等離子體成分的關(guān)系。研究了含Xe/NaI/ScI3/ZnI2無(wú)汞系統(tǒng)的熱力學(xué)特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，內(nèi)管壁上沉積的鹽層會(huì)通過(guò)等離子體流，這由電導(dǎo)性質(zhì)決定［38］。

3 國(guó)內(nèi)陶瓷金鹵燈技術(shù)進(jìn)展

經(jīng)過(guò)幾年的攻關(guān)，國(guó)產(chǎn)陶瓷管技術(shù)獲得了很大的進(jìn)步，代表性的技術(shù)有潮州三環(huán)、中科院上海硅酸鹽所、上海亞明和沈陽(yáng)玻璃研究院。電弧管和整燈技術(shù)的代表企業(yè)有上海亞明、廣東雪萊特和海寧新光陽(yáng)。

與國(guó)外先進(jìn)水平相比，國(guó)產(chǎn)陶瓷金鹵燈制造企業(yè)的差距主要體現(xiàn)在:(1)高品質(zhì)陶瓷管的大規(guī)模制造能力;(2)電極封接核心專(zhuān)利;(3)填充藥丸優(yōu)化，減少熔鹽對(duì)陶瓷管壁的腐蝕;(4)在燈參數(shù)方面，國(guó)外先進(jìn)水平已達(dá)到光效100～130 lm/W，壽命20 kh;而國(guó)內(nèi)是光效80～100 lm/W，壽命15 kh.

亞明公司與復(fù)旦大學(xué)電光源研究所合作，承擔(dān)了上海市科委的科技攻關(guān)項(xiàng)目，完成了年產(chǎn)100萬(wàn)只小功率陶瓷金鹵燈生產(chǎn)線的建設(shè)，掌握了規(guī)?；a(chǎn)的關(guān)鍵工藝技術(shù)和對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵材料配方，優(yōu)化了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。產(chǎn)品功率有20，35，70，150 W四種，色溫有3000 K和4000 K，燈頭型式有G8.5和G12.圖6為典型陶瓷金鹵燈的照片，燈的結(jié)構(gòu)主要由陶瓷放電管、支架電引線、外泡殼和燈頭組成。

圖6 亞明陶瓷金鹵燈照片

研發(fā)過(guò)程中解決的關(guān)鍵問(wèn)題有: (1)采用Dy2O3－Al2O3－SiO2焊料體系，解決了鈮、焊料玻璃與陶瓷毛細(xì)管形成氣密性封接;(2)控制了滲漏和焊料腐蝕問(wèn)題;(3)在電弧管中充入放射性氣體85Kr解決啟動(dòng)問(wèn)題。研發(fā)中采用的檢測(cè)和診斷手段有X光透視、紅外熱成像、X光斷層掃描和SEM掃描電鏡等，如圖7～10所示，這對(duì)找出問(wèn)題、優(yōu)化設(shè)計(jì)起到了重要的作用。

國(guó)標(biāo)《GB/T 24458－2009陶瓷金屬鹵化物燈性能要求》規(guī)定［39］，功率20，35，70，150 W，色溫3000，4000 K的陶瓷金鹵燈的參數(shù)要求如表1所示。亞明陶瓷金鹵燈的參數(shù)如表2所示，其中光通維持率為自測(cè)數(shù)據(jù)。比較表1和2，可以看出亞明的4種小功率陶瓷金鹵燈的電壓、電流、功率和色溫符合國(guó)標(biāo)的要求，光效、顯色指數(shù)和2 kh光通維持率高于國(guó)標(biāo)規(guī)定值。其中70 W燈的光效高5%，顯色指數(shù)高10%，2 kh光通維持率高13%.這說(shuō)明亞明陶瓷金鹵燈達(dá)到了較高的水平。

圖7 X光透視焊料的深度和缺陷

圖8 紅外熱成像檢測(cè)電弧管溫度分布

圖9 X光斷層掃描觀察到封接處的氣泡分布

圖10 焊料蝕坑SEM圖像

表1 國(guó)標(biāo)規(guī)定的陶瓷金鹵燈的參數(shù)

表2 亞明陶瓷金鹵燈的第三方測(cè)試參數(shù)

總體而言，國(guó)產(chǎn)陶瓷金鹵燈還需要繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)工藝水平。

4 陶瓷金鹵燈技術(shù)展望

陶瓷金鹵燈能提供高光效、高顯色性、長(zhǎng)壽命的照明，同時(shí)其小體積適合各種配光方式，是未來(lái)氣體放電光源的主要發(fā)展方向。在室內(nèi)照明中，小功率陶瓷金鹵燈可與鹵鎢燈競(jìng)爭(zhēng)，用于重點(diǎn)照明和高顯色照明;在道路照明和隧道照明中，中功率陶瓷金鹵燈可與高壓鈉燈競(jìng)爭(zhēng)，其白光照明可提高小目標(biāo)的分辯能力。國(guó)外全面深入的研究推動(dòng)了陶瓷金鹵燈的技術(shù)進(jìn)步。隨著各種產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，國(guó)內(nèi)陶瓷金鹵燈的技術(shù)水平逐漸向國(guó)際先進(jìn)水平靠攏，但還欠缺深入的研究，需要著力加強(qiáng)。

非飽和陶瓷金鹵燈光效更高，壽命期間顏色一致性更好，但陶瓷管和封接的技術(shù)難度大，應(yīng)設(shè)法開(kāi)展研究開(kāi)發(fā)。無(wú)汞陶瓷金鹵燈既能達(dá)到含汞陶瓷金鹵燈的性能，又消除了汞污染，是未來(lái)HID光源的發(fā)展方向。但高濃度的稀土鹵化物對(duì)陶瓷管的腐蝕加劇，需要加強(qiáng)基礎(chǔ)研究，解決陶瓷管的腐蝕問(wèn)題。

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