雪崩过程
电子的自由程
着火条件：
γ（eαL – 1）= 1
α……电离系数 γ……每个正离子平均在电极上 打出的电子数
电子的雪崩
气体放电的伏安特性
A V
电子温度和气体温度
电子温度Te与气体温度Tg在 汞放电中随压力的变化
A 低气压放电灯温度分布 B 高气压放电灯温度分布
高压钠灯的基本电路
镇流器
电源
480
530
580
630
λ (nm)
λ(nm)
380 385 390 395 400
545 550 555 560 565
760 765 770 775 780
V(λ)
0.0000 0.0001 0.0001 0.0002 0.0004
0.9803 0.9950 1.0000 0.9950 0.9786
高压钠灯的管压（1）
• 钠汞齐中汞的比例越高，管压就越高。 • 考虑到钠的损耗，灯中钠汞齐是过量的。灯寿命后期，由
于钠的损考虑到钠灯寿命期间的管压升高，故将初始管压设计得较 低。400W钠灯100V，同功率汞灯和金卤灯135V。 • 电极与电弧管端的距离越近，冷端温度就越高，气压也越 高，管压就高。 • 电极发射性能差也造成管压高。 • 外玻壳中抽成真空是为了减小热导，保持冷端温度。外壳 真空度不高，会使管压降低。
高压钠灯的管压（2）
• 与汞灯不同，外界因素对高压钠灯管压的影响较大。如电 源电压，镇流器阻抗，灯具的散热与反光等。
反光器
反光器
灯
灯
高压钠灯的种类（1）
高显色高压钠灯
• 提高压力使增大，从而谱线范围增宽，提高了显色性
和色温。但光效有较大下降。 • 方法是缩短电弧管并在其两端加保温层以提高冷端温度。
• 符合上述条件的材料只有钨。为了进一步降低发射函数， 在电极上再加上一些发射材料。
材料
W Ba Sr
Ca Y Th WO2 BaO SrO
CaO Y2O3 ThO2
功函数V 4.5 2.49 2.35 2.8 3.3 3.3 5.0 1-1.7 1.3-1.6 1.6-1.9 2-3.9 1.7-3
有较多辐射。但高压氙对启动带来困难。
高光效高压钠灯点灯线路
镇流器
电弧管
电子触发器
电容器
绝缘部件
高压钠灯的种类（3）
快启动高压钠灯 • 用氖氩混合气作启动气体，并附装触发丝来帮助启动，从
而不用触发器就能将灯点亮。 • 这种灯光效较低，只有普通钠灯的75%。
镇流器
电弧管
触发线圈+双金属片
The End
再见
成反比。
• 气体压力增加，碰撞频率就增加，因此电导率减小，电阻 增大，管压也就升高。
• 电子密度随温度的升高迅速增大。电弧中心温度最高，电 子密度最大，电导率也最大。
• 等离子体从电场中吸收的功率为 P = I E = σE2。
电极
• 电极通过热电子发射，将电场的能量持续地传输给等离子 体。
• 电极材料要求有良好的导电性、高的熔点、低的发射函数 和好的耐化学腐蚀性。
• 电极在高温下工作，电极材料会逐渐蒸发，导致电弧管发 黑，光通量下降。
• 电极发射函数降低，可降低电极的能量损耗。
高压钠灯的工作温度
电极温度：2000K 冷端温度：1025K
电弧中心温度：4000K 陶瓷管壁温度：1500K
• 陶瓷管的熔点在2400K。 • 高于1500K时，氧化铝陶瓷开始有蒸发发生，并沉
0.00006 0.00004 0.00003 0.00002 0.00002
680
730
780
高压钠灯光谱
光谱线宽度
• 自然线宽：根据量子物理，激发能级的高度与能级的寿命 成反比。寿命越短，能级高度越不确定。
• 多普勒加宽：原子本身的不规则运动，使光频率变化。多 普勒加宽是对称的，高压钠灯中其宽度在0.4nm数量级。
C
220V
触发器 CD 灯 LP
管 压
• 通电后触发器开始工作，产生高压脉冲将灯点亮。此时灯的管压很 低，电流很大，触发器停止工作。大的电流加热电极和陶瓷管，也
使钠汞齐蒸发。气压和气温逐渐上升，电流减小，管压增加。当输
入的功率（由电源和镇流器决定）与变为等离子体的气体损耗平衡 时，灯稳定在相应的工作点。
积在玻壳上使其发黑，影响光输出。 • 温度更高时，钠会和氧化铝陶瓷发生反应。
发光原理
En Em
hv = En – Em λ=c/v
E0
钠的能级图
高压钠灯的工作物质
钠蒸汽压：100torr 汞蒸汽压：1000torr 氙压： 160torr
• 钠：辐射物质，第一激发电位2.1V，电离电位2.5V， 决定灯的光性能 • 汞：缓冲气体，第一激发电位4.9V，电离电位10.4V，决定电和热性能 • 氙：启动气体，第一激发电位8.4V，电离电位12.1V，要求低的热导率 • 钠汞齐：4mg钠/16mg汞。 • 实际只有0.07mg钠和5.7mg汞蒸发（1025K）。
• 压力加宽（密度加宽）： 邻近原子的干扰，导致激发 原子的能级发生变化。谱线 不一定对称。
自吸收
• 辐射通过等离子体向外传播的途中会部分地被吸收（自吸 收）。
• 自吸收对不同波长不相等，在共振辐射（激发态到基态的 辐射）处最强。
• 压力越高，吸收越强。可用代表压力高低。

光效和显色性
• 压力增加使增大，谱线范围更宽广，显色指数Ra增大； 而光效η受人眼视觉的影响反而下降。
高压钠灯
─ 2006.01.01
高 压 钠 灯 泡
支架兼导线 外玻壳
电弧管
柔性导线 消气剂
灯头
高压钠灯电弧管
氙气 Xe
电子粉
电极
钛焊接 汞齐 陶瓷管
封接 铌管
为什么会发光？
4000~6000K
等离子体
• 高温下气体电离（正离子与电子数量相等），并伴随着激发和发光 • 沙哈定理：
1大气压氩等离子体组分浓度（cm-3）
内触发高压钠灯 • 在灯内加一个起跳装置，一般用双金属片做成，与电弧管
并联。通电对双金属片加热，使其变形而突然断开线路， 由此借助镇流器产生一个高压反向电动势将灯点亮。点亮 后灯的热量保持双金属片为断开状态。灯熄灭后双金属片 冷却返回初始状态。
高压钠灯的种类（2）
高光效高压钠灯 • 提高氙气充入压力，可减小热导提高光效。并且氙在绿区
• 室温时充200torr的氙气，灯工作时达2000torr，可使光效 提高15%。
• 氙对电场强度几乎没有影响。为了得到所需的管压，还是 要加汞。
1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0
380
人的视觉
V(λ)明视觉曲线 Km = 680 Lm/W
430
汞的作用
• 1）增加电场强度（管压），使灯体积缩小。 钠压100torr时光效最高 钠压100torr，汞压 0 torr时，电场强度7.5V/cm 钠压100torr，汞压1000torr时，电场强度15V/cm
• 2）减小热导损耗，提高灯的发光效率。 汞的热导效率是钠的一半。
• 3）改善灯的颜色。汞在蓝、绿部分有辐射。
• 气体电离：用高频火花器使气体电离。 • 加热电极：给电极灯丝通电加热从而产生热电子发射（如
荧光灯）。 • 缩小极距：采用辅助电极（触发极）缩小启动时电极间的
距离以增加电场强度，使电极中电子发射（场致发射）， 如高压汞灯等。 • 提供高压：在点灯初期提供一个比正常工作电压高得多的 电压，增加电场强度，如触发器等。
温度 K Ar Ar+
Ar++ e
4000 1.835(18) 1.272(10)
─ 1.272(10)
5000 1.468(18) 1.318(12)
─ 1.318(12)
6000 1.223(18) 2.938(13)
─ 2.938(13)
7000 1.048(18) 2.719(14)
─ 2.719(14)
• 选择电弧管直径和电极距离使管壁温度在1500K（钠压 100torr）
氙的作用
• 电弧管内充10~20torr氙气作为启动气体。在所有非放射 性气体中，氙有最低的热导率，因此光效最高。
惰性气体 氖/氩(0.5%)
氩
氪
氙
光效(Lm/W)
91
110
116
120
• 氙的热导率与汞相当，充入高压氙气的灯中可不需要用汞 来增加光效。
8000 9.146(17) 1.450(15)
─ 1.450(15)
9000 8.949(17) 5.344(15) 2.336(6) 5.344(15)
10000 7.040(17) 1.508(16) 1.005(8) 1.508(16)
等离子体的电导率
• 等离子体的电导率由电子决定。电子质量远小于离子。 • 等离子体的电导率σ与电子密度ne成正比，与碰撞频率θc
• 一般高压钠灯以光效为目标，如400W灯=10nm。
高压钠灯能量分布
输入灯功率 Wla =400 W 光通量φ=48000 lm 光效η=120 lm/W 色温 Tc =2100K 显色指数 Ra =23 平均视觉指数 Vs =0.6
灯的启动
• 在通常情况下气体不导电。要点亮灯，需用某种方法产生 初始电子。