陶瓷金属卤化物灯的发光原理

摘要：金属卤化物灯（以下简称金卤灯）在城市照明中得到了广泛的应用。传统金卤灯由于放电管采用的是石英材料，在高温情况下会出现析晶现象，而且石英化学稳定性差、做成的电管腔体几何参数偏差大，从而导致金卤灯发光效率和显色指数低、光源寿命短、光色一致性较差。这也导致金卤灯难以在更大范围内推广。目前，市场上出现了一种以陶瓷代替石英作为放电管的新型金卤灯，其发光效率、显色性、光维持性、光源寿命等均有较大的提高，而且其节能效果非常明显，它的出现和应用必将为城市照明的节能工作带来新的亮点。
    关键词： 新型光源  陶瓷金属卤化物灯  城市照明  应用

一、金属卤化物灯的发光原理

电流通过气体时伴随有发光现象，由此做成的光源被称为气体放电光源。放电管内电流通过的气体是金属卤化物蒸汽的灯就称为金属卤化物灯。

1、放电气体的种类决定了灯的发光效率和显色本领

由于气体原子都有本身固有的能级结构，不同气体放电光源辐射出不同的特征光谱：如低气压汞蒸汽放电主要辐射253.7nm的紫外光，需利用荧光粉的转换形成荧光灯；高压汞蒸汽放电主要辐射蓝绿光，缺少黄光红光；高压钠蒸汽放电辐射黄色光，人眼对黄色光敏感，故钠灯发光效率高。在现代化厂房、商业照明及电视转播照明等要求真实体现被照物体客观色彩的场所，光源最好具有与太阳光一样的输出光谱，这样才有好的显色本领。照明界规定太阳光的显色本领最大，并用参数显色指数来表示其显色本领的强弱，其最大值为100。由于高压汞灯和高压钠灯都仅辐射少数几种颜色的光谱，其显色本领弱，显色指数分别仅为50和20左右，即照明质量很差，人类长期在此种光源照射下没有舒适感。

2、为什么灯内填充金属的卤化物

气体放电光源点燃时，放电管管壁上的最冷端温度决定了放电腔内所充元素种类的饱和蒸汽压，即参与放电的气体原子数的多少。一般要产生足够高的光效，蒸汽压必须≥100Pa（约千分之一大气压）。因石英等透明放电管材料的热力学特性限制，灯工作时其管壁温度≤1250℃，否则灯的寿命不能保证。除汞和钠元素以外，其它金属均难以在此管壁温度条件下形成≥100Pa的蒸汽压；但当这些金属以卤化物的形式填充时，金属卤化物的蒸汽压均可达上述要求。此时，在管壁处形成的金属卤化物分子依靠浓度梯度向放电管中心扩散，在电流流过的中心高温度分解成金属原子和卤素原子，同时辐射出分解金属的特性光谱（卤素原子的辐射不在可见区，计算可知卤素原子因平均激发电位高而基本无辐射损耗）；此时放电管中心的金属原子浓度和卤素原子浓度高于管壁处，同样因浓度梯度扩散至管壁处并复合成金属卤化物分子，避免了金属元素与管壁材料的高温化学反应，并如此周而复始。这种因工作气体是金属卤化物而形成的灯被称为金属卤化物灯（简称金卤灯）。

3、金属卤化物灯的优点

金卤灯中可填充多至7～8种不同的金属卤化物，不同金属辐射不同的特征光谱：选择可辐射出人眼敏感的光谱（如黄光）的金属卤化物，可得到高的光效；选择可同时辐射多种颜色光谱的金属卤化物的组合，可得到高的显色指数（如Ra≥95）。因此金卤灯具有高光效和高显色性的双重优点。

二、陶瓷金属卤化物灯的特性

金卤灯因放电管材料分别采用石英或透明陶瓷而分为石英金卤灯和陶瓷金卤灯两类。

1、石英金卤灯的缺点：

a）石英在850℃时开始出现析晶现象，管壁工作温度受限制，相应形成的蒸汽压低，参与放电的金属原子浓度也低，发光效率和显色指数提高有限；

b）石英材料的化学稳定性差，向管壁扩散的金属原子总有少量不被卤素原子复合的部份会与石英反应而损失，灯的光衰大，色飘移严重；多出的卤素原子（金属元素，最易吸附电子）使启动电压不断上升，灯的寿命偏短；

c）由于石英放电管靠烧融成型，腔体几何参数偏差大，造成灯与灯之间的光色一致性差。

陶瓷金卤灯就是为克服石英金卤灯的缺点而发展而来的。

2、陶瓷金卤灯的优点：

a）集高压钠灯和石英金卤灯的优点于一身；

b）发光效率比石英金卤灯提高15%-20%；

c）150W以下规格的光效高于同功率的高压钠灯，可达115流明/瓦；

d）显色可达95，比石英金卤灯的提高10～20，是钠灯的4倍以上；

e）光维持性更好，燃点期间启动要求稳定；

f）灯与灯之间色差少，色漂移小（±75K）；

g）色温可调，范围广，2800K的灯红、黄、绿、蓝等光谱丰富；

h）单放电管灯的寿命达15000小时，最新产品可达25000小时。

因此，陶瓷金卤灯被称为传统光源中的“白马王子”。

三、陶瓷金属卤化物灯的节能应用

1、在高显色要求场合的应用

陶瓷金卤灯兼有高光效和高显色性的双重优点，是传统光源中光电性能最好的光源；显色指数高达95，接近太阳光（显色指数为100），特别适用于要求真实体现被照物体本色的场所，例如体育场馆、机场候机楼、大型厂房（汽车制造车间、机库、钢铁厂等）和商业照明等，达到了提高照明质量、保证生产安全、增加销售业绩和节能的效果。

2、在道路照明中的节能应用

我国约有2800万盏道路照明用灯，其中60%的光源采用高压钠灯，具有光效高，透雾性（黄光）好，寿命长（24000小时）和投入费用低等优点，缺点是光色单调，被照物体见形不见色。

2010年6月24日～25日，在国家发改委环资司举行的“淘汰低效照明产品国际研讨会”上，欧盟代表宣布欧盟国家和英国将从2012年开始在城市道路照明中逐步淘汰高压钠灯，首选光源为陶瓷金卤灯。

为什么要淘汰发光效率很高的高压钠灯？究其原因，一是晚间时刻高压钠灯的光效并非测量得到的那么高；二是随着社会进步，照明的质量（舒适度，且与人类健康有关）要求越来越高，特别是城市中的道路照明。

a）中间视觉效应是国际照明界近一百年来的重大研究成果

    光是由人眼接收的，人眼的视网膜由大量的感光细胞组成，分别为视杆细胞和视锥细胞。前者对498nm的黄绿光敏感，且能感受微弱光，在黑暗环境下起主要作用；后者对437nm的蓝光、533nm的绿光和564nm的黄光敏感，但不能感受微弱光，只在明亮环境下起主要作用。

①明视觉（Photopic）

当环境亮度（如白天或室内照明条件下）大于3cd/㎡时，称明视觉，此时视锥细胞起主要作用，波长响应峰值为555nm；

②暗视觉（Scotopic）

当环境亮度（如无月光的深夜）小于10^-3cd/㎡时，称暗视觉，此时视杆细胞起主要作用，波长响应峰值为507nm；

③中间视觉（Mesopic） 

当环境亮度（如夜间的室外照明或月光的晚上）介于上两者之间时，称中间视觉，此时两种视觉细胞同时起作用，响应峰值在533nm处。

目前灯的发光效率的测量和计算都采用图1中555nm为峰值的V（λ）值，而道路照明的真实环境下应使用533nm为峰值的V〞（λ）值；图2分别为高压钠灯和陶瓷金卤灯输出光谱与三种视见函数曲线的叠加图，钠灯的光谱分布贴近V（λ），所以光效高；陶瓷金卤灯具有蓝、绿、黄多种光谱，更贴近V〞（λ）。

 

b）晚间照明时，陶瓷金卤灯的光效是高压钠灯的两倍

显而易见，晚间使用时灯的实际光效与测量值不同。图3为不同视觉条件下几种灯的实际光效。

由图可见，在两种不同环境亮度下同一光源的光效值完全不同的，高压钠灯的光效从明视觉条件下的120lm/w下降至夜间条件下的75lm/w，下降了37.5%；而金卤灯的光效相应从90lm/w左右上升至150lm/w以上。

英国科学家莱文博士在其《光源光谱对道路照明的影响》一文中指出，在夜间道路照明中，金卤灯的光通量利用率是高压钠灯的4～8倍，也就是说，夜间一只150w金卤灯的照明效果至少相当于一只600w高压钠灯的照明效果，既节约了电能，又提高了照明质量。

S.M.Berman博士在《白炽灯和高压钠灯下人眼瞳孔大小的差异》论文中得出结论，使用Ra很小的高压钠灯时，人眼的瞳孔会缩小，而白炽灯下则相对放大，即达到同样的视觉效果，显色性好的光源所需的照度大大低于显色性差的光源。

我国老建筑手册中也规定，在教室中，白炽灯（Ra=99）照度为75lux时，使用普通荧光灯时（Ra=60）照度值应达到150lux。

c）国际上已有的国家标准和实施方案

英国是一个多雾天气的国家，原道路照明普遍采用能辐射透雾性强的黄光光源——高压钠灯和低压钠灯。基于上述研究结果，为了节能，政府颁布了道路照明中使用白光的国家标准BS5489-1：2003，其中不同等级道路的平均亮度值要求见表一。

表一   为英国对于使用白光在道路照明中的规定

﹡注：中国国家道路标准与英国标准的关系：

     ME2等同于一级道路  （高速公路）

     ME3等同于二级道路  （城市主干道）

     ME4等同于三级道路  （城市次干道）

ME6等同于四级道路  （乡间公路、小街道）

表中平均亮度值为CIE13201标准中在明视觉下的要求值，白光下的平均亮度值则是使用白光时通过用中间视觉状态下所需的“等效亮度”，平均下降了29%，即通过使用白光照明降低要求值的标准，从而达到节能的目的。

国家绿色照明工程要求十一五期间实现照明节电390亿千瓦时，按2012年道路照明用电1184亿千瓦时计，采用白光光源时按平均节电25%计，一年节电就达296亿千瓦时。

国际照明巨头飞利浦公司和GE公司为此专门推出了用于道路照明的陶瓷金卤灯Cosmo Polis系列和StreetWise系列。表二列出了达到相同照明效果下的替代功率比对值。

表二   替换功率对应表

d）道路照明使用陶瓷金卤灯的其它好处

①节能：如用150W陶瓷金卤灯替换250W高压钠灯，节电率达40%（未计算镇流器功耗的减少），在30%的调光下，光的颜色输出基本不变，通过智能控制可进一步达到节电效果；

②照明质量高，视野清晰，舒适感和安全感使人们在商业街上的停留时间增加，零售业绩倍增；

③突发事件下人的反应时间缩短，根据交通管理部门的统计可明显减少交通事故；

④双电弧管结构的陶瓷金卤灯的寿命可达30000 hrs以上，维护费用低；

⑤与高压钠灯具有互换性，替换经济、便利。

e）实施案例

欧盟国家的城市道路改造工程计划于2016年前完成；美国第二大城市芝加哥和韩国首尔城市道路照明也都已采用陶瓷金卤灯，其中首尔用量的近一半从浙江新光阳照明股份有限公司采购，墨西哥也开始实施陶瓷金卤灯推广工程。

由于国产陶瓷金卤灯的性能和产品系列化都已达到国际同类产品水平，国内陶瓷金卤灯在道路照明中的应用已实施了4年多，并取得了节能和提高照明质量的双重效果。主要案例有：

浙江省海宁市全市2万多盏路灯99%已改为陶瓷金卤灯，用70W陶瓷金卤灯替代150W高压钠灯，用150W陶瓷金卤灯替代250W高压钠灯，用250W陶瓷金卤灯替代400W高压钠灯，光源自身平均节电率43.5%（配套镇流器功耗也相应下降）。上海闵行区辛庄工业园区、江苏靖江盈利港务码头货场、天津市滨海新区、南宁市、西藏拉萨、台湾台南，韩国首尔等城市由于节电效果明显，得到了广泛采用。

3、建议

任何照明产品应充分体现其安全可靠性、健康舒适性和节能经济性三大特性：

①安全可靠性：任何产品首先考虑的是其安全性，对人体不构成伤害。

②健康舒适性：光源要接近太阳光色，才适应万物生长，蓝光等高色温的产品对人眼视膜造成的危害有目共睹，我们要理性地看待任何光源产品。

③节能经济性：节能不节材（不节财），节能就毫无意义，节能不环保更是失去意义。一个产品是否真正环保、节能降耗，要看它这个产品的整个生产、制作和寿终处理过程是否环保、节能降耗的。

目前很多新装修的办公、居室将LED当成时髦和奢侈品来使用，没有真正去考虑它们的经济性、实用性和舒适性。

不能唯发光效率是问，我国环境污染亟待改善，节能是国策。富人也应过节俭的日子，不能把可使用的东西（如灯罩等）一概扔掉。为此建议从政策上鼓励推广陶瓷金卤灯在城市道路中的应用，其效果为：

a）陶瓷金卤灯的色温为2800K±200K，符合自然时辰规律，舒适感强，绝不宜使用6000K（中午太阳光的色温）的光源。

b）陶瓷金卤灯晚间的实际光效大于150流明/瓦，且光谱接近太阳光，节能的同时显著提高了照明质量。

c）陶瓷金卤灯的价格与高压钠灯的相差无几，安装尺寸和发光中心与高压钠灯相同，可在不换灯具或只替换其中老化了的旧反光器前提下替换，投入成本低。

d）用于道路照明的陶瓷金卤灯为双放电管结构，两放电管轮流燃点，灯寿命25000 hrs以上，可使用5年以上，维护费用低。