丁有生

(武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430000)

0 引言

放射性元素85Kr 可在金鹵燈內(nèi)產(chǎn)生觸發(fā)所必需的初始電子，可大大縮短啟動(dòng)時(shí)間，減少電極濺射，因此它已被廣泛使用。但放射性元素對(duì)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(xiàn)照射也是一種有效的產(chǎn)生初始電子的方法，由于其優(yōu)點(diǎn)較多應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣。UVE 的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，主要有單電極、雙電極及其他它類(lèi)型等。從工作原理上又可分為氣體擊穿導(dǎo)電型和介質(zhì)阻擋放電型兩種。氣體擊穿導(dǎo)電可以是輝光放電也可以是火花放電。氣體擊穿導(dǎo)電UVE 的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，一般還需限流裝置，其適用范圍有局限性。

圖1 所示UVE，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(duì)該種UVE 的設(shè)計(jì)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(yīng)考慮材料的紫外線(xiàn)透過(guò)率、耐溫性、介電常數(shù)、介電強(qiáng)度、生產(chǎn)和使用成本等因素。因?yàn)橥该魇⒉ＡЬ哂凶贤饩€(xiàn)透過(guò)率高、耐高溫和加工方便等優(yōu)點(diǎn)，UVE 可選用石英玻璃作為外殼材料。但對(duì)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(shù)難度，而陶瓷管就不存在這個(gè)問(wèn)題。除去陶瓷管內(nèi)的雜質(zhì)氣體相比石英玻璃也更容易，且加工中不會(huì)像石英玻璃那樣會(huì)引入二次羥基。如圖2 所示，可用陶瓷管做成結(jié)構(gòu)非常緊湊且耐高溫的UVE。而且，在填充氣種類(lèi)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(qiáng)度比石英UVE 高。有些透紫外線(xiàn)硬料玻璃和軟料玻璃的短波紫外透過(guò)率也較高，而且氫、氦、氖氣也不會(huì)透過(guò)管壁而進(jìn)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(guò)率曲線(xiàn)

圖4 肖特硼硅玻璃紫外線(xiàn)透過(guò)率曲線(xiàn)

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(chǔ)存的電荷量較大，同時(shí)，作用在氣隙上的場(chǎng)強(qiáng)也大，這對(duì)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(qiáng)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(qiáng)度分別大致為64 kV/mm、50 kV/mm、30 kV/mm，對(duì)低溫觸發(fā)燈也許這個(gè)問(wèn)題并不突出，但對(duì)熱啟動(dòng)的金鹵燈，這個(gè)問(wèn)題也是必須被考慮的。

圖2 的文獻(xiàn)報(bào)道，UVE 總長(zhǎng)為25 mm，殼體材料為PCA，其內(nèi)部長(zhǎng)度小于4 mm，殼體外徑為2.6 mm，殼體內(nèi)徑為0.78 mm。電極是直徑為0.71mm 的鈮，其內(nèi)充有133mbar 的氬氣，實(shí)際充氣壓力可在30mbar～200mbar 之內(nèi)。在陶瓷的坯料階段，將陶瓷管的一端壓死后再燒結(jié)。UVE 內(nèi)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(shí)驗(yàn)，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(shí)時(shí)分別有一支不能觸發(fā)。詳見(jiàn)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(lèi)和氣壓的選擇

填充氣的種類(lèi)和氣壓的選擇主要應(yīng)考慮觸發(fā)電壓、紫外強(qiáng)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(xiàn)的來(lái)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(shí)所產(chǎn)生的光子，另一方面是原子和分子在高能電子和強(qiáng)電場(chǎng)的作用下而生成的準(zhǔn)分子分解成原子和分子時(shí)所產(chǎn)生的光子。一般認(rèn)為，紫外波長(zhǎng)為180 nm～280 nm為有效的波長(zhǎng)范圍。如果波長(zhǎng)太長(zhǎng)，光子能量有限，較難產(chǎn)生初始電子;如果波長(zhǎng)小于180 nm，光子較難穿過(guò)UVE 和放電管外殼。比如，當(dāng)波長(zhǎng)小于160 nm的紫外線(xiàn)就幾乎不能透過(guò)石英玻璃了。

可滿(mǎn)足上述要求的氣體很多，如惰性氣體、氮?dú)?、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(diǎn)。氮?dú)夂鼙阋?，在利用外裝配結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jiàn)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(fēng)險(xiǎn)。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(zhì)加入，實(shí)踐證明，它是一種很有效的填充劑，汞的254 um 譜線(xiàn)不僅產(chǎn)額大而且非常有效。純粹充氬也可達(dá)到我們所需的一些效果，但它的紫外強(qiáng)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(duì)人和環(huán)境都有影響，不適用于無(wú)汞金鹵燈。將碘作為雜質(zhì)氣體混入氙氣中，可產(chǎn)生我們所需要的紫外輻射(US2003/0057833 Osram)。例如，碘原子可產(chǎn)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(nèi)產(chǎn)生我們所需的紫外輻射。電子在電場(chǎng)中獲得的能量大部分通過(guò)碰撞傳輸給了Xe 使其被活化，并與碘生成短壽的準(zhǔn)分子X(jué)eI，于是在253 nm 處產(chǎn)生強(qiáng)的輻射，它有一個(gè)強(qiáng)的過(guò)渡帶且其尾部向短波方向延伸。這個(gè)波長(zhǎng)近似于汞的253.7 nm 紫外線(xiàn)，而且碘在UVE 工作范圍內(nèi)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(chǎn)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(dāng)然HgI2也是可以的。UVE 里填充碘還有一個(gè)好處，當(dāng)燈是熱態(tài)時(shí)，UVE 里碘的蒸氣壓很高，阻止了UVE 工作，對(duì)燈起到了保護(hù)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(zhǔn)分子紫外發(fā)射峰值波長(zhǎng)

為了說(shuō)明紫外強(qiáng)度和觸發(fā)電壓與填充氣壓的關(guān)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(wèn)題。

UVE 的紫外強(qiáng)度很小，測(cè)試其實(shí)際的發(fā)光強(qiáng)度有一些條件上的限制，而我們所關(guān)心的只是其相對(duì)強(qiáng)度，因此，此處的紫外強(qiáng)度未使用單位。在圖7 中，隨著充氣壓的提高，紫外強(qiáng)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(shí)間內(nèi)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(chǎn)生每個(gè)電子的能量有關(guān)而且與電離產(chǎn)生的總電子數(shù)有關(guān)?？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(chǎn)生的電子數(shù)。碰撞頻率與氣壓成正比，而電子雪崩產(chǎn)生的電子數(shù)隨氣壓非線(xiàn)性上升，所以氣體放電消耗的功率隨氣壓非線(xiàn)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(xiàn)性上升。同時(shí)，我們可以預(yù)測(cè)隨著氣壓的上升，電子的碰撞頻率將太高而導(dǎo)致電離能力下降，紫外輻射功率在達(dá)到一個(gè)極值點(diǎn)之后，又非線(xiàn)性下降。

圖7 紫外強(qiáng)度與充氣壓間的關(guān)系

在圖8 中，隨著充氣壓的提高，觸發(fā)電壓也呈上升趨勢(shì)。這種現(xiàn)象可用帕邢定律Vs=f(pd)來(lái)作近似解釋。其實(shí)這種放電是不完全遵循帕邢定律的。文獻(xiàn)［2］認(rèn)為，Vs 的實(shí)際值比理論計(jì)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(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)極小值點(diǎn)，再隨著pd 的增加而上升。文獻(xiàn)［2］同時(shí)還指出，擊穿電壓分別依賴(lài)于氣壓和極間距離。文獻(xiàn)［2］對(duì)此問(wèn)題有深入研究，在此不再重復(fù)。

圖8 觸發(fā)電壓與充氣壓間的關(guān)系

3 改進(jìn)UVE 性能的途徑

改進(jìn)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(gè)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(lái)，可從以下這幾個(gè)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(shí)，不同外徑和長(zhǎng)度的UVE 的觸發(fā)電壓和紫外輻射強(qiáng)度也是有明顯區(qū)別。UVE 氣隙的電場(chǎng)強(qiáng)度要比平均電場(chǎng)強(qiáng)度大，它與內(nèi)電極與殼體間的距離，殼體的厚度呈反比關(guān)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(chǎng)強(qiáng)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(qiáng)度越高。

3.2 在陰極上涂覆電子粉或使用低逸出功物質(zhì)

作用在UVE 氣隙上的場(chǎng)強(qiáng)很高，它會(huì)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(lèi))或者陰極使用逸出功低的材料，這樣電子在較低的場(chǎng)強(qiáng)下就可透過(guò)位壘(隧道效應(yīng))跑入放電空間而促進(jìn)氣體擊穿。同時(shí)，具有一定能量的的電子和離子在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下轟擊低逸出功的陰極，也會(huì)產(chǎn)生更多的二次電子。

3.3 改善UVE 的電場(chǎng)分布

電暈放電是非均勻電場(chǎng)下的局部放電。電場(chǎng)分布越均勻，氣隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)也就越大。因此，可以通過(guò)改進(jìn)電極形狀的方法來(lái)增大氣隙中的最大電場(chǎng)強(qiáng)度，以改善電場(chǎng)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(duì)降低觸發(fā)電壓有利，當(dāng)然人為地對(duì)鉬片打折、開(kāi)口等都會(huì)對(duì)降低觸發(fā)電壓有利。

3.4 提高UVE 的功率

UVE 實(shí)質(zhì)是兩個(gè)串聯(lián)的圓柱體電容器，這樣，我們可得到其放電過(guò)程消耗的功率表達(dá)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(zhì)的介電常數(shù)，l，R，r分別為電容器長(zhǎng)度、外圓柱半徑和內(nèi)圓柱半徑。

在放電發(fā)生以前氣隙雖然有電流流動(dòng)，電荷量也增加了，但它并未參與放電，它應(yīng)從總移動(dòng)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(duì)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(zhǎng)度、減小殼體厚度等。當(dāng)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(duì)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(zhì)是不可避免的。但這些雜質(zhì)往往是一些消電離氣體如O2，H2等。放電腔體中的電子與負(fù)電性氣體相遇時(shí)，形成負(fù)離子，由于負(fù)離子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)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(dǎo)致?lián)舸╇妷荷仙?/p>

假使UVE 是一內(nèi)徑為D，內(nèi)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(zhì)氣體量一定，則雜質(zhì)氣體的釋放量與UVE 的直徑成反比。UVE 的內(nèi)徑一般不大于4 mm，因此，UVE 內(nèi)的雜質(zhì)氣體釋放量相對(duì)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(duì)改善其性能也很重要。如將外電極緊縛在UVE 上，適當(dāng)增大外電極表面積等也能獲得好的效果。

［1］李朝陽(yáng).XeI 準(zhǔn)分子紫外光源的發(fā)光特性研究［J］.研究與開(kāi)發(fā)，2009

［2］凌一鳴.低氣壓介質(zhì)阻擋放電擊穿特性的研究［J］.電子學(xué)報(bào)，2006

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