高压钠灯

high pressure sodium lamp

简介

在半透明氧化铝陶瓷发光管中，利用高压钠蒸气(钠蒸气气压为10⁴Pa数量级)放电发光的高强度气体放电电光源。高压钠灯是所有近白色电光源中发光效率最高、节能效果显著的电光源。

自1966年第一支普通照明用高压钠灯问世后的10年里，虽然灯的性能不断改进，发光效率达100 lm/W以上，寿命超过10000 h，但色温只有2100 K，显色指数R_a约为25，只能适用于室外和部分室内对显色性要求不高的场所。80年代以来，灯的功率范围不断扩大，低功率35 W，高功率1000 W的高压钠灯相继问世，显色指数Ra为65的改进型高压钠灯和显色指数Ra为85的高显色性型高压钠灯也开发成功，使高压钠灯在体育场所、工厂、市内街道乃至商店等场所得到了广泛的应用。20世纪90年代初世界上高压钠灯的年产量达1400万支左右。中国从70年代开始生产高压钠灯，年产量逐年上升，质量不断提高，1990年高压钠灯的年产量约为100万支，越来越多的城市道路照明用高压钠灯。

结构和材料 钠是一种活泼金属，在常温下是银白色固体。钠原子结构较汞简单，它的最低激发电位为2.1 V，相应的共振谱线的波长为589 nm和589.6nm。低压钠蒸气放电时，钠的共振谱线具有很高的可见光辐射效率。随着钠蒸气压的升高，由于共振谱线自吸收的增加，辐射效率下降。当钠蒸气压继续上升时，共振谱线加宽，在长波部分出现辐射谱线而使辐射效率重新增高。试验表明，钠蒸气压为2.66×10⁴～3.33×10⁴Pa时，灯的发光效率最高，光色为金白色，所以这种灯在20世纪60年代出现后很快地得到了推广应用。高压钠灯的结构如图1所示。发光管使用对高温、高压钠蒸气具有稳定化学性能的半透明多晶氧化铝陶瓷管，或者是部分透明的单晶氧化铝管(蓝宝石管)。为了减少由于自吸收所造成的辐射损失，发光管的管径不能过大。400 W高压钠灯发光管的内径约为8 mm或更小。在陶瓷管两端的氧化铝陶瓷端帽(或铌帽)用氧化钙、氧化铝混合物(CaO—Al₂O₃)掺入氧化镁(MgO)等作粘合剂封接，而支撑电极的铌管是在端帽部分封接。电极和陶瓷管的真空封接是保证高压钠灯质量的关键之一，其用料和加工均应从严处理。在发光管内，用作发光物质的钠和作为缓冲气体的汞，是以钠汞齐的形式过量充入， 发光管内的氙气和氩气作为辅助启动用的气体，或是采用氖氩潘宁气体。为了防止端帽和铌管在高温下氧化而变脆， 必须将发光管装入抽成高真空的硬质玻璃外管之中。为了保持外管的真空度，需在管中加入钡消气剂。外管抽成真空还可减少发光管的热损失，提高发光管的冷端温度，保证灯的钠蒸气压和发光效率;此外，还可减少外界环境变化对灯的光电性能的影响。有时为了获得柔光，在外管内壁涂敷二氧化钛。

图1 高压钠灯的结构

技术特征 主要包括发光效率、光色、寿命等。发光效率 简称光效。图2为400 W高压钠灯的功率转换情况。在汞放电时，转换为可见辐射的功率为59 W，而钠放电时为118 W，占输入功率的29.5%。因此，高压钠灯的发光效率大约为高压汞灯的2倍，达120 lm/W以上。

光色 高压钠灯的光色参数颜色坐标x为0.51～0.52;y为0.41～0.42;色温约为2100 K;平均显色指数Ra为25。提高钠蒸气压或加大发光管内径均可改善灯的颜色特性。但是随着灯的颜色特性的改善， 发光效率则有所下降。试验表明， 色温每提高100 K，发光效率大约下降8 lm/W。如果用蓝宝石作发光管，光效可比半透明陶瓷管提高20%～30%;若牺牲这部分增加的光效换取色温的提高，可做出色温2450 K、光效为100 lm/W的高压钠灯。另外，在灯中充入适量的其他金属，如镉或铊等，也可提高灯的色温，改善灯的显色特性。改进型高压钠灯的显色指数Ra可达65，高显色性型高压钠灯的显色指数Ra可达85。

寿命 高压钠灯问世初期，灯的寿命约为3000 h。降低灯的寿命的原因很多，其主要原因是点灯过程中，灯的管压上升太快。造成管压上升的原因：一是灯的封接处冷端温度的增高导致发光管内的蒸气压上升而引起管压增高;二是发光管的管壁负荷过大，以致管的中部温度高达1240℃。在这样的温度下，灯管上蒸发出的金属铝，使灯的外管黑化。这样不仅吸收光，降低透光率，而且将大量的热反射回发光管，使灯的钠蒸气压上升，并造成管压增高。此外，充入的钠和氧化铝陶瓷反应，产生β—氧化铝，造成灯内的钠损失。为了克服上述缺点， 新灯的冷端改在排气管处， 发光管尺寸增长，控制管壁负荷在21 W/cm²以下，灯的管壁温度不要超过1150℃。这样发光管的氧化铝蒸发速度大为降低，防止了外管发黑，抑制了管压的上升。另外，由于氧化铝陶瓷管和电极材料质量的提高， 灯管结构和制灯工艺的进步，高压钠灯的寿命已达到2万h以上，成为寿命最长的电光源之一。

启动 由于高压钠灯的发光管细长， 加之无启动电极，以致灯不能直接在普通电源下启动。灯的启动需使用镇流器和灯内启动器。灯内启动器的工作原理与荧光灯的辉光启动器相似。为了加速启动，在发光管外表面涂导电层或安置辅助导体。另外在灯内充入氩氖混合气体， 灯的启动更为可靠。

种类和用途 高压钠灯可按灯的显色性、功率和外壳特性进行分类。按灯的显色性分类，有普通型、改进型和高显色性型三类。表1为三类250 W高压钠灯的主要技术特性。根据这三类灯的不同特性，普通型高压钠灯主要用于室外对光色没有要求的场所; 改进型高压钠灯主要用于对光色要求不太高的室内或室外照明场所; 高显色性型高压钠灯则用于对光色要求高的照明场所。

表1 三种类型的250W高压钠灯技术特性