Atlas 氙灯灯管原理及特点简析

高压短弧氙灯亦称之为超高压短弧氙灯（工作气压在10个大气压以上）、短弧氙灯（弧长在数毫米）、球形氙灯（外壳呈球形）、氙灯（灯内充氙气），本文简称为氙灯。由于氙灯的光谱分布、色温等参数与日光相似，故又有小太阳之称。氙灯作为气体放电灯具有光效高（30-70流明/瓦），显色性好（>95%），功率大（最大可达6000瓦），在演艺灯光及大型投影机的光源方面有广泛的应用。今天，标准集团就氙灯灯管的原理常见特性在这里作详细分析。

下面就氙灯的工作原理、结构、特性及使用分别叙述如下。

一、氙灯的工作原理

氙灯属气体放电灯中弧光放电一类，为了便于讲述氙灯的放电机理，我们先阐述气体放电过程。

图1 气体放电灯工作电路示意图

我们可以通过改变图1中Vo来测量不同放电电流时灯的电压，从而得到图2所示的伏一安特性曲线，现将其原理叙述如下。

图2 气体放电灯伏-安特性曲线表

由于宇宙中的射线或外界存在电磁场等因素，在灯管L中存在着带电粒子，我们称之为剩余电离。当灯管两端加上一个电压后，在电场的作用下，这些带电粒子向电极运动形成电流，随着电场的增加，电流会随之增大，形成图2所示的OA段。当电场进一步增强时，此时所有剩余电离的带电粒子全部到达电极时，电流就饱和了，形成图2所示的AB段。若再升高Vo，则电场将加速初始的带电粒子的速度，它与中性原子碰撞形成更多的带电粒子，这一过程使电子数量雪崩似地增加，形成了BC段，此段称之为雪崩放电（也称之为繁流放电）。由于雪崩过程使灯管的电流很快增至D点，此时灯电压随即迅速下降，同时管内产生可见的辉光，形成DE段。我们将C点称之为气体放电的着火点或破裂点，此时相对应的电压值Vz称之为着火电压。灯管点火时需要满足以下条件：

式中d是阴极和阳极之间距离，α为一个电子沿着阴极到阳极方向运动单位路程时与气体原子碰撞所产生的电离次数，γ为一个正离子轰击阴极表面时从阴极逸出的次级电子数。那么，上式的物理概念十分清楚，即阴极发出一个电子，这个电子在到达阳极的过程中共产生（

）次电离碰撞，因而产生正离子，这些正离子打到阴极后将产生

个二次电子，而这些二次电子数目仍为1，这样放电当然就能自我维持，为此我们将C点以后的放电称为自持放电。EF段，不论增加Vo还是减小回路电阻R，使电流增加，但管压基本不变，我们称之为正常辉光放电，此时管压不变的原因是在这个范围内阴极并没有全部用于发射（用于发射的面积正比于电流），要增加电流，扩大阴极发射面积即可。当整个阴极面都参与发射（对应于F点）之后，如果还需要继续增大电流的话，必须增加Vo造成管压上升，这样就进入异常辉光放电FG段。其后如果再要放电电流增加，由于电极温度升高，转入热电子发射，特性又一次发生突变，管压大幅度降低，电流迅速增加，形成了弧光放电的GH段。[fenye]

氙灯工作于气体放电伏一安特性曲线的弧光放电段，其放电过程阐述如下：

图3 氙气工作电路示意图

当氙灯接于图3所示的电路后，由于灯内充有数个大气压的氙气，其着火电压很高，加于灯管两端的电压不足以使氙灯放电。当启动电路上的触发器T时，它产生一个高频(3.5～5. 5MHz)、高压(30～55KV)加于灯管两端，使灯管内氙气击穿导电。在阴、阳极之间产生明亮的火花线，很快加热阴极极尖，使其温度急剧上升，产生热电子发射，在此同时氙气原子被大量的带电粒子碰撞，产生激发、电离，这样使氙灯极快进入了弧光放电。在灯管两端所加的电源u的维持下，氙灯正常点燃。

点燃后，大量被激发的原子从基态跃迁至激发态，从低能级的激发态跃迁至高能级的激发态，但受激原子是处于不稳定状态，一定要返回原子原处的能级，在返回原态时将被激发时所吸收的能量以光辐射的形式释放，从而产生了如图4所示的特征光谱。由于上述过程中被激发的氙原子在高能级间的跃迁的比例很大，为此在可见区范围内产生的光谱是与日光很相似的连续光谱。

图4 氙气与日光的光谱曲线

二、氙灯的结构及在设计时所要考虑的问题

1、氙灯的结构

按封接方法可分为三种结构：

(1)气泡钼箔封接型（例如目前常州玉宇电光器件有限公司的产品结构）见图5；

(2)过渡玻璃封接型（例如上海灯泡三厂的产品结构）见图6；

(3)实心石英柱封接型，通常也称为ORC型（它是美国光辐射公司的封接方法，ORC是该公司名字的缩写）见图7。

左：图5气泡钿箔封接型；中：图6过渡玻璃封接型；

右：图7实心石英柱封接型

上述三种结构的氙灯各具以下的特点：

(1)气泡钼箔封接型：灯管结实、可靠，在包装运输中损坏率相对少，其最大特点是与过渡玻璃型相比在同功率、同气压的情况下，光通量高，稳定时间短，适用于大、中、小功率生产，但也存在对封接工人（灯工）的技术水平要求高，劳动强度大，同心度难以掌控，成本高，生产率较低的缺陷。

(2)过渡玻璃封接型：此结构应该说比较好，欧、美、日市场如德国OSRAM、日本USHIO公司的灯均采用此结构，但目前国内由于过渡玻璃段烧结工艺、配方还存在问题，过渡段道数较多、过长，造成机械强度差，运输过程中易碎，生产合格率也相对较低，若做5KW以上的灯难度更大，漏气率较高，易炸灯。但它具有生产成本低，生产率高，易实现在玻璃车床上加工，同心度好，并且还有不易烧引线的优点。

(3)实心石英柱封接型：最大优点是结实、美观、同心度好。但目前国内无掌握好该结构引出线的点焊工艺，造成易烧引出线及易炸情况，其成本也高，故只适用于2KW以下的氙灯。

2、设计氙灯时需考虑的几个问题

氙灯看似很简单，在一只泡壳中封两只电极，再充入适量的氙气即成。但实践告诉我们要做好氙灯不是一件很容易的事，现根据我公司多年的生产经验，对氙灯零件的要求作如下介绍：

(1)氙灯的泡壳

我们知道，氙灯工作时处于超高压状态，泡壳表面温度高达800℃左右。为此，选用的石英管必须严格满足以下条件：

①在800℃左右高温下长期工作不变色、不析晶；

②有良好的透光性能和加工特性；

③有良好的机械强度和抗炸特性；

④有良好的热辐射性能，以便降低泡壳表面的工作温度；

⑤封接后具有良好的气密性。

我公司采用美国GE219型无臭氧石英管，它不但具有良好的透光性能、热加工性能、足够高的抗压强度，最为突出的是其具有良好的热辐射特性，能降低泡壳表面温度，是最为理想的吹制氙灯泡壳的石英管材。其次采用美国尤尼明的矿砂在引进设备上严格按工艺要求熔制的石英管材也是选用制作氙灯泡壳尚好的管材。

有了好的管材，没有好的加工工艺也是不行的。例如对管材的清洗、存放环境、加工过程中有否粘污等均是影响泡壳质量的重要因素，务必小心注意。另外，对泡壳的设计也极为重要，例如，横向点燃灯的泡壳应呈圆形，竖直点燃灯的泡壳应呈椭圆形，这样能确保应用时泡壳表面温度分布比较均匀。

在设计泡壳表面负载时可作如下考虑：为了保证灯管工作时泡壳表面温度不超过800℃，对于自然冷却小功率氙灯表面负载可选择在Ws = 20～30W/cm2，对于风冷大功率氙灯，泡壳表面负载Ws=40～45 W/cm2。根据此方案，我们可在给定灯管功率Pi后求出泡壳的直径。

(2)对阳极有关问题的考虑

我们知道，氙灯一般均处在直流大电流工作状态，这样，在阳极附近存在一个“高温等离子球”，再加上直流电弧在阴极光斑处大量的电弧损失，部分电弧又被阳极吸收，使阳极进一步加热。因此，在阳极端面有极高的温度，而其散热方式主要靠热辐射的方式传导给氙气，仅少量的热量沿阳极柄传给钼箔及引出线。实验证实，阳极上耗散的能量可达总输入功率的1／3，尤其在阳极端面接受弧光的很小区域（面积）上要承受的功率密度更大、温度更高，所以虽然氙灯的阳极一般均设计的粗而大，但工作过程中阳极端面还会出现凹熔、凸起或塌熔现象而被损坏。阳极损坏可造成以下后果：

端面凸起：缩短极距，灯电压下降，功率下降，灯管发黑而寿终。

端面凹熔：极距增大，电压上升，功率上升，灯管发黑而寿终（易炸灯）。

端面熔化：造成电弧漂移而寿终。

为此，设计阳极的形状和几何尺寸时，要重点考虑散热问题。

根据热辐射公式：Me=σSBεtT4，可知热辐射功率与物体温度有关，与温度的四次方成正比。即阳极温度越高，热辐射的功率越大。为了提高热辐射功率，同时也会缩小钨阳极的体积，但又一定要保证阳极的工作温度不超过2300K，因过高的温度会导致钨的蒸发，使灯管发黑，同时会使阳极引出线封接处温度也升高，并易炸灯。为此，必须增大阳极的热辐射面积来弥补，方法是在阳极表面开数条散热槽来增加阳极的热辐射面积，如图8所示。

图8 散热槽阳极结构示意

除了在设计上需考虑上述问题外，阳极本身的质量情况更为重要。原上海灯泡厂王菊珍高工（国内最早研发氙灯阳极人员之一）曾做过大量试验，制造出在阳极不同部位具有不同比重的钨极。

图9 不同比重分布的阳极示意图

她认为，阳极端面熔化、变形是局部高于或近于钨熔点所致。在氙灯点燃中，阳极端面至尾部温度降落梯度很大。可以设想，若阳极热量积聚而不能耗散，则再高熔点的材料也会迅速熔化，因此阳极材料的设计应满足：

①能降低阳极端面温度；

②提高氙灯启动时阳极端面耐受瞬时大能量冲击的性能；

③避免阳极溅散。

她认为，在不同部位有不同比重的阳极要比均一比重的阳极在氙灯上使用性能更为合适，见图9所示：

①阳极端部：吸收能量区，端面直接承受瞬时大能量冲击和长时间吸收高温电弧，温度最高，杂质最易溅散，要求用高比重的阳极材料以具有较大的热容量和热导性。

②阳极中部：是热量主要耗散区，形状设计上以加大直径和长度来增加热容量和热导性，并以散热槽来增加热辐射面积，提高热耗散能力，以达到在热平衡状态下降低端面温度的目的。为此，适当降低比重来增加孔隙度，相对增大了热辐射面积，有利于端面温度进一步下降。

③阳极尾部：阳极的支撑部分，温度较低，设计上直径较细，要满足阳极在加工过程和制灯工艺中对阳极支撑强度的要求，比重要较高一些。

结论：整只阳极的比重在18.3～18.5为佳，阳极端部的比重在18.5～18.8，使其保持较大的热容量与热导性能来适应高温电弧；中部散热槽比重在18. 1～18.4，所增加的孔隙度及形成的海绵状均提高了热辐射性能。使用该电极，阳极端面温度比其他型电极低，熄弧冷却时，降温速度快，减少了阳极端面出现龟裂、凹陷、凸起的现象，延长了灯的寿命。当然对于生产过程中阳极的热处理、保管等也至关重要，决不可忽视。

(3)对阴极有关问题的考虑

用于氙灯的阴极必须既具有良好的电子发射性能，又具有耐正离子轰击的特性，并需具有长的使用寿命。

目前可用作氙灯的阴极有三种，即钍钨、铈钨、钡钨，现分别介绍如下：

①钡钨：它具有良好的电子发射性能，具有很低的逸出功，仅1.6电子伏特，但其耐离子轰击的性能差，制怍工艺复杂，适用于小功率氙灯(35W—200W)。国外如日本Hamamatsu公司用钡钨制作的小功率氙灯50W、75W、150W，其寿命可达2000小时，且稳定性优良，噪声小。

②铈钨：其发射性能及耐离子轰击特性均介于钡钨和钍钨之间，一般可用于中功率氙灯(200W～1000W)，不适用于大功率氙灯，但是它无放射性，属环保型灯。

③钍钨：钍钨是目前氙灯最常用的阴极材料，其组分是在纯钨粉中掺入1.5～2%的ThO2，经充分搅拌之后烧结、锻打、拉制而成。含钍的钨极若不经过特殊的热处理，其发射特性与纯钨相差无几（逸出功在4.5电子伏特左右），只有经过特定的热处理（激活）之后才具有良好的电子发射性能（逸出功降至2. 63电子伏特）。经激活还原出的钍原子均匀地分布于钨的晶粒的缝隙内，也可熔于钨的晶粒内部，但阴极工作于1800～2000K时，钍原子向钨表面扩散形成单原子薄膜层，即电子发射层，这样不断地消耗，不断地补充，得到稳定的发射，并可维持足够长的寿命，因此它是良好的氙灯阴极材料。

阴极的外形设计是否合理会直接影响到灯的启动特性和使用寿命。设计时通常将阴极头的角度加工的尖一些，可在触发瞬间电极头温度很快上升至产生热电子发射，以利于灯的启动。但一定要得当，否则工作一段时间后极尖会烧坏，或者由于太尖，参与放电的面积过小，不能满足大电流密度的支取，造成光斑跳动，甚至阴极尖开裂，影响触发。为此，对于不同功率氙灯的阴极尖角度及弧度的设计要通过实践加以修改，得到最佳的尺寸。目前的趋势是在能保证灯管具有较好的触发性能的情况下，尽可能加大阴极尖的角度和极尖的弧度，保证阴极有较长的使用寿命。另外为了保证加大阴极尖角度后，阴极仍具有良好的触发性能，可在离阴极尖圆锥部分开一条槽（如图10所示），由于此槽的存在可减小阴极的热传导，提高阴极尖的温度，是一种很好的措施！

图10 带槽的阴极结构示意图

(4)充气压的考虑

为了保证氙灯有大的光通输出，有似日光一样的连续光谱和色温，氙灯必须工作在超高压状态（10个大气压以上）。氙灯的工作气压（热态）一般是充气压（冷态）的3～4倍。在决定充气压后，为了保证工作时不炸灯，一定要计算出泡壳的热应力和张应力，计算出安全系数nf，如果nf太小，则应减少灯内的充气压或增加管壁厚度，直至符合要求（通常nf取9～13）。

三、氙灯的特性

1、电弧特性

氙灯的放电物质是氙气，它不同于汞及金属卤化物。因为气体的原子轻，原子越轻，放电时对流现象就越剧烈，为此，氙灯的电弧位置和形状主要由对流的气流决定，这种电弧称之为对流稳定型电弧。

由于强烈的气体对流，对流稳定型电弧相对于电极的位置或多或少有所变动，造成电弧稳定性不高，电弧也较宽。为了提高电弧的稳定性，可提高电场强度，这是由于提高电场强度后可使电弧中带电粒子受到的电场力变强，带电粒子的运动受对流的影响就变小，从而使电弧的稳定性提高。另外，缩短极距和增大放电电流能使电弧在阴极收缩而使电弧稳定。

对流稳定型电弧偏离垂直位置时，电弧状态会改变。例如水平点燃时，电弧向上弯曲。电弧形状的改变可引起光电参数的变化。当对流过分强烈时，电弧上飘严重，甚至会吹灭，所以对流稳定型氙灯的正常工作位置应该是垂直方向，这时电弧长度最短，有最大的平均亮度和稳定性。当然对于极距很小的电弧属于过渡稳定型的氙灯（一般为小功率），允许在任意位置上点燃。

2、亮度特性

氙灯的整个电弧亮度分布是很不均匀的，如图11所示。

图11 氙灯电弧亮度相对强度分布曲线

如图所示在离阴极0. 07Lare处（Lare即为极距）有一点亮度极高的光斑，我们称之为阴极斑。图12是一只20KW水冷氙灯的亮度分布实例。

图12 20KW水冷氙灯的亮度分布图

电弧中心亮度L可由下式决定：

L=5. 7Pcol/Lare2 (cd/mm2)式中：Pcol为放电正柱区功率，单位W; Lare为极间距离，单位mm。由公式可知，提高正柱区功率或缩短极距，可提高亮度。Pcol是灯的总功率PL减去电极损耗(ILVak)它与正柱区电场强度E(V/cm)、工作电流IL (A)和极距成正比，即：Pcol=PL-ILVak=ILELare.

几种惰性气体的放电灯正柱区电场强度及电极位降列于下表所示：

表中还列出了汞的电场强度和电极位降，在其他条件相同时，惰性气体放电的正柱区电场强度较小（在其他工作气压下同样如此），这是由于惰性气体放电时电离率较高、电子浓度很大所致。

为提高电弧亮度，必须增大放电功率，有两个途径：

①增大电场强度

提高充气压，但提高充气压后造成电弧不稳，并易炸灯，故我们对于小功率氙灯由于其泡壳小，机械强度高，极距小，电弧稳定性好，工作气压可高一些，可控制在20～40atm。对于大功率氙灯，由于其泡壳直径大，机械强度差，极距较大，工作气压要稍低一些，控制在8～20atm。

②增大放电电流

放电电流大是氙灯的一个特点，大功率氙灯可达百安培以上，但也不宜过大，因为它给电极与石英泡壳的封接带来很大的困难。目前风冷大功率氙灯可制作10KW，其电流为195A。由于氙灯的电场强度低，所以氙弧的平均亮度L要比汞弧低。见图13，但是氙弧的阴极斑处的亮度可以超过汞弧。

图13 汞弧和氙弧的平均亮度

四、灯的应用及其注意事宜

1、从上面的阐述可知氙灯具有以下特性

(1)具有良好的接近于日光的光谱特性。

(2)具有与日光相近的色温(5500～6000°K)和很高的显色指数Ra94以上。

(3)是球形的点光源，故具有良好的光学特性，有利于光的利用（配反光碗）。

(4)有亮度极高的阴极斑。

(5)具有良好的触发性能及热触发特性。

(6)在点燃瞬间就具有稳定的光输出。

由于具有以上特性，使其在电影放映、电影拍摄、舞台照明、太阳模拟、标准日光辐射源等领域有广泛的应用。

2、需注意的事项

(1)从氙灯的电弧特性可知，其属于对流稳定型电弧，如果氙灯横点时，电弧会向上弯曲，电弧形状会变化，光电参数也会变化。尤其当对流过分强烈时，电弧会严重的上飘，甚至会被吹灭。为此一定要使用磁场给予稳弧。对于极距小的小功率氙灯，由于其电弧属过渡稳定型，可除外。

(2)从氙灯的亮度特性可知，在阴、阳极间分布很不均匀，但在其阴极附近存在阴极斑，亮度极高，为此，设计反光碗时要尽可能利用之，从而可得到很高的光利用率。

(3)氙灯工作时处于超高气压状态，再则，灯的泡壳表面温度可达800℃，所以，电影机内吹风量必须满足氙灯所要求的风速，这样可减少炸灯的几率，减缓灯的黑化，延长灯的寿命。

(4)目前氙灯损坏的原因之一是氙灯的引出线烧断，这除了生产商要加强灯的引出线制作工艺外，使用安装时，由于电源连接线与管帽未旋紧，造成接触不良，增大的接触电阻，在大电流通过该点时产生很高的焦耳热(Q=I2R)产生热点，使接触点的接触电阻进一步增加，热量进一步增大，如此恶性循环产生高热量最终烧坏灯头（引出线）。目前我公司每只灯的包装盒内附有一只扳手（专用），目的是提醒用户一定要用其将电源线与管帽旋紧。另外提高放映机的风速也至关重要，可取得事半功倍的效果。

(5)氙灯在使用一段时间后若发现有飘弧现象时（横向点燃），关灯后可将灯转动180°，可克服上述飘弧现象，延长灯的使用寿命。

(6)建议新灯使用时可工作于额定电流的70%～80%，然后根据需要逐渐增大工作电流（不得超过规定的最大值），这样可延长灯的使用寿命。

(7)用于点灯的电源，其电流脉动系数一定要小于3.5%，而且越小越好，并还需保证当灯管启动瞬间的冲击电流要小，否则会对灯的电极损坏很大，缩短灯的使用寿命。

(8)灯用到规定的使用寿命后，应及时更换灯管。使用过程中发现灯管的泡壳严重发黑时应换灯，否则会造成泡壳温度过高，易炸灯。

五、氙灯的主要光电参数解释

1、光通量：光源在单位时间内所发出的光量称为光源的光通量。一般用Φ表示，单位为Lm（流量）。

2、发光效率：一个光源所发出的光通量Φ和该光源所消耗的电功率PL之比。一般用η表示，η=Φ／PL，单位Lm／W。

3、光强度：光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量，定义为光源在该方向的光强度，用Iv表示，单位cd（坎德拉，烛光）。Iv= Iv／Ω

4、光照度：表示物体表面被照明的程度，以每单位面积上受到的光通量表示。用Ev表示，单位Lm/m2（勒克司）。Ev=Φ／S。

5、光亮度：表示光源在给定方向上单位投影面上的光强度。用Lv表示，单位nt（尼特）。Lv=Iv/S

6、色温：当光源所发出光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时，黑体的这个温度称为该光源的颜色温度，简称色温。用T表示，单位K。

7、显色指数：指光源的光照射到物体上所产生的客观效果，如果效果与标准光源（黑体或日光）照射时一样，则认为该光源显色性好，反之即受照后物体颜色失真，则该光源显色性差。用字母Ra表示。

8、灯的寿命：灯的寿命有全寿命和有效寿命之分。

①全寿命：灯从点燃开始至不能工作（烧坏）为止的累计时间。

②有效寿命：当灯所发出的光通量（或其他指标）下降到初始值的70%时（或其他指标）所点燃的时间。

气体放电灯做寿命测试与白炽灯不同，因为气体放电灯不能用加速寿命试验的方法，而必须模仿实际工作的条件进行（往往要开一段时间、关一段时间反复循环的方法来考核）。对于特种用途的灯，例如用于仪器上的灯，要以辐射能量衰减、灯的噪声及灯的稳定性同时考核，只要其中某一指标超差，即认为寿终。

9、灯的工作电压：指灯在标准中规定的工作电流下点燃，待灯稳定后测量灯管两端的电压值。用V表示，单位伏特。

六、专业术语解释

1、气体放电：在正常情况下气体是一种良好的绝缘体，在某种条件下（外加电磁场、高频高压激发等）气体变成了良导体，这种气体的导电现象称之为气体放电。

2、基态：正常情况下，原子中的电子都处于本身所处的最低能级上，并能无限地长期保持这种状态，这种状态我们称为基态。

3、激发：当原子中的电子受到某一外界的作用，它便由原来所处的能级跃迁至较高的能级上，这一过程称之为激发。

4、电离：如果一个原子的外层电子吸收了外加的能量，足以使其脱离原子核的吸引，成为自由电子，这一过程称之为电离。

5、剩余游离：在周围环境中无游离源存在的情况下，灯内仍有少量的分子处于游离状态，称之为剩余游离。