陶瓷金鹵燈技術(shù)最新進(jìn)展

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］。考慮到兩個(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)流器分為三種類型［19］:第一種類型含全橋/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);第二種類型帶有非對(duì)稱橋式共振逆變器，見(jiàn)圖5(c);第三種類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，以優(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，用于汽車前照燈的無(wú)汞金鹵燈在豎直燃點(diǎn)時(shí)電弧不對(duì)稱，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。

［1］楊正名，張玉生，何文馨，等.陶瓷金鹵燈 ［A］.第三屆國(guó)際新光源＆新能源論壇論文集 ［C］.上海:2009.58－68.

［2］楊正名，何文馨，張玉生，等.陶瓷金鹵燈發(fā)展的關(guān)鍵——PCA陶瓷泡殼 (上)［J］.中國(guó)照明電器，2009，(9):1－5.

［3］楊正名，何文馨，張玉生，等.陶瓷金鹵燈發(fā)展的關(guān)鍵——PCA陶瓷泡殼 (下)［J］.中國(guó)照明電器，2009，(10):1－4.

［4］李廣安，王海鷗.陶瓷金鹵燈電弧管封接工藝技術(shù)的研究［A］.2009全國(guó)節(jié)能型高強(qiáng)度氣體放電燈技術(shù)與發(fā)展研討會(huì)論文集 ［C］.桂林:2009.33－40.

［5］陳佐興.陶瓷金鹵燈封接及檢測(cè)方法探討 ［A］.2009全國(guó)節(jié)能型高強(qiáng)度氣體放電燈技術(shù)與發(fā)展研討會(huì)論文集 ［C］.桂林:2009.

［6］陳佐興.減輕陶瓷電弧管管壁腐蝕的初步研究［A］.金屬鹵化物燈技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展論壇論文集［C］.無(wú)錫:2010.94－101.

［7］Li W，Shi S J，Liu J，et al.Dimming properties of small－ wattage ceramic metal halide lamps［A］.Proceedings of the 3rd Lighting Symposium of China，Japan，and Korea［C］.Seoul，Korea，2010.9－16.

［8］陳令，李煒，施水軍，等.中小功率陶瓷金鹵燈的調(diào)光特性研究［J］.中國(guó)照明電器，2010，(10):5－9.

［9］Hendricx J，Vrugt J，Denissen C，et al.Unsaturated ceramic metal halide lamps，A new generation of HID lamps［A］.Proceedings of the 12th International Symposium on the Science and Technology of light sources and the 3rd White LED conference［C］.Eindhoven，the Netherlands，2010. Sheffield，UK:FAST－LS.(縮寫為Proceedings LS12－WhiteLED3)405－414.

［10］Born M.Investigations on the replacement of mercury in high－pressure discharge lamps by metallic zinc［J］.J Phys D:Appl Phys ，2001，34(6):909 －924.

［11］Born M，Strosser M.Fundamental investigations of mercury － free automotive discharge lamps［J］.J Phys D:Appl Phys ，2007，40(13):3823－3828

［12］Kaning M，Hitzschke L，Schalk B，et al.Mercuryfree HID lamps［A］.Proceedings LS12－WhiteLED3［C］.477－484.

［13］Methling R，F(xiàn)ranke St，Hitzschke L，et al.Molecular radiation from overloaded Hg－free HID ［A］.Proceedings LS12－WhiteLED3［C］.471－472.

［14］Dudik D，Kuenzler G，Yee M.Green joining of ceramics［A］.Proceedings LS12－WhiteLED3［C］.503－504.

［15］Baier V，Eckardt T，Gubler N，et al.Feed－through solutions for HID lamps with ceramic arc tubes［A］.Proceedings LS12－WhiteLED3［C］.245－246.

［16］Uetsuki T，Matsuo A，Morii，et al.Study on a new material to replace the thoriated－tugsten electrode［A］.Proceedings LS12－WhiteLED3［C］.215－216.

［17］He J M，Russell T，Toth Z.CeO2as an oxygen dispenser in ceramic metalhalide lamps［A］.Proceedings LS12－WhiteLED3［C］.429－430.

［18］Corazza A，Massaro V，Ceulemans S，et al.Evolution of the impurities pressure in discharge lamps using different getter materials［A］.Proceedings LS12－WhiteLED3［C］.429－430.

［19］Lester J，Kaiser W，El－ Deib A，et al.Ballasts and drivers for conventional and solid state light sources［A］.Proceedings LS12－WhiteLED3［C］.485－494.

［20］Sato A，Brates N，Noro K，et al.Effect of pulse voltage slope on high pressure xenon hid lamps breakdown voltage［A］. Proceedings LS12 －WhiteLED3［C］.71－72.

［21］Tant P，Driesen J，Deconinck G.The influence of charge effects on the DC breakdown properties of HID lamps［A］.Proceedings LS12－WhiteLED3［C］.99－100.

［22］Sobota A，Kanters J H M，Veldhuizen E M，et al.AC ignition of HID lamps－statistical and formative lag times［A］.Proceedings LS12－WhiteLED3［C］.443－444.

［23］Estupinan E，Pereyra R，Li Y M，et al.The effect of hydrogen iodide on the ignotion of Hg－free metalhalide lamps［A］.Proceedings LS12－WhiteLED3［C］.299－300.

［24］〗van Erk W，Luijks G M J F，Hitchcock W.Why does the lumen maintenance of sodium－scandium metal halide lamps improve by VHF operation? ［A］.Proceedings LS12－WhiteLED3［C］.383－384.

［25］Kaiser W，Correa A F，Marques R P.HID lamp acoustic emission signatures and arc distortion［A］.Proceedings LS12－WhiteLED3［C］.183－184.

［26］Chen N H，Olsen J A.Control methods for enhancing run－up of metal halide lamps［A］.Proceedings LS12－WhiteLED3［C］.423－424.

［27］Honma T，Uemura K.Relationship between corrosion depth and coil dimension in the capillary part of mercury－free ceramic metal halide lamps［A］.Proceedings LS12－WhiteLED3［C］.451－452.

［28］Ramaiah R，He J M.Halide penetration in seal glass for ceramic metal halide lamps［A］.Proceedings LS12－WhiteLED3［C］.425－426.

［29］Gielen J，Geens R.SEM investigation of Al2O3transport phenomena in elliptical ceramic metal halide lamps.［A］.Proceedings LS12 －WhiteLED3［C］.93－94.

［30］Toth Z，Russell T，Kolozsi Z，et al.Surface analytical investigation of the Tungsten build－up in Ceramic Metal Halidelamps［A］.ProceedingsLS12 －WhiteLED3［C］.131－132.

［31］Westermeier M，Ruhrmann C，Reinelt J，et al.Phase resolvedDy－densityandplasmatemperature measurements by absorption and emission －spectroscopy of Dy spectral lines［A］.Proceedings LS12－WhiteLED3［C］.165－166.

［32］Curry J J，Estupinan E，Lapatovich W P，et al.Measured vapor pressures in metal－h(huán)alide systems with and without complexing agents［A］.Proceedings LS12－WhiteLED3［C］.213－214.

［33］Yang J K，Kim W Y，Park D H.Analysis of degradation by on－off test in ceramic metal－h(huán)alide lamp［A］.Proceedings LS12－WhiteLED3［C］.67－68.

［34］Itoh D，Kasuya T，Wada M，et al.Accelerated testing of an HID lamp by radiative cooling［A］.Proceedings LS12－WhiteLED3［C］.175－176.

［35］Gibson R.Predicting long lifetimes using accelerated reliability techniques［A］.ProceedingsLS12 －WhiteLED3［C］.151－152.

［36］Francois I，Eyden J T，Broeckx W，et al.Transient color stability of HID lamps［A］.Proceedings LS12－WhiteLED3［C］.531－532.

［37］Mullen J.Construction and experimental validation of models for HID lamps［A］.Proceedings LS12 －WhiteLED3［C］.195－204.

［38］Babaeva N Y，Sato A，Brates N，et al.Modelling mercury－free HID lamps:Breakdown characteristics and thermodynamics［A］.ProceedingsLS12 －WhiteLED3［C］.217－218.

［39］GB/T 24458－2009，陶瓷金屬鹵化物燈性能要求［S］.