[轉]螢光燈管光衰現象--韓儉榮 @ 地球圈

螢光燈管光衰現象,其產生的技術機理較為複雜。涉及到電子學、材料學、氣體放電發光等基本理論,深奧繁繁。本文僅從指導實際應用的角度,淺入淺出。對螢光燈管光衰現象產生的技術機理進行概括性闡釋。供業界參考。

一、概述

螢光燈管,屬低壓氣體放電發光的新型電光源。因具有光效高、節能、顯色性能高等技術特點,被制做成U型管、螺旋管、環型管、細管徑直管等形狀的節能燈 ,廣泛地應用於室內外環境照明。

但是在實際照明中,螢光燈管的亮度會慢慢地變暗,照明品質降低。這種現象實際上就是螢光燈管光衰現象。

二、螢光燈管的結構及其放電發光原理

為能科學簡要地分析螢光燈管一光衰現象及產生的技術機理。(作者韓儉榮)先討論一下螢光燈管的結構和放電發光原理。

(一)、螢光燈管分類：螢光燈管按氣體放電性質來劃分：有熱陰極弧光放電型和冷陰極輝光放電型兩大類型。應用于照明領域的螢光燈管,都屬於熱陰極弧光放電型螢光燈管。

(二)、螢光燈管結構：螢光燈管有：玻璃管、燈頭、燈管陰極、發光螢光粉、放電氣體五大部分組成。

1、玻璃管：玻璃管是螢光燈管的主體,也是螢光燈管的外殼。其內壁用於塗敷發光螢光粉。

2、燈頭：燈頭主要用於固定支撐燈管陰極,和實現螢光燈管與燈架的電氣連接。

3、燈管陰極：燈管陰極又有導絲、燈絲、電子粉三部分組成。

燈管陰極主要功能,是預熱螢光燈管、發射電子、促使放電氣體電離,啟輝點燃螢光燈管。

4、發光螢光粉：發光螢光粉主要是吸收紫外線,通過量子轉換,將紫外線輻射轉換為可見光。

5、放電氣體：放電氣體由氪(Kr)、氬(Ar)和汞(Hg)惰性氣體組成。主要用於螢光燈管,通過氣體電離產生紫外線輻射。

(三)、螢光燈管放電發光原理：

螢光燈管放電發光原理：螢光燈管通交流電後,由陰極燈絲產生交變電常管內的汞(Hg)氣體,在交變電場和陰極燈絲發射的電子共同作用下。汞(Hg)氣體原子不斷地獲得能量,從原始基態被激發成激發態,而後由激發態返回到原始基態。汞(Hg)氣體在這個基態－激發態－基態,能量變換過程中。將交變的電場能量轉變為253.7nm的紫外線輻射(同時產生185nm的紫外線輻射)。螢光燈管內壁上的發光螢光粉,吸收253.7nm的紫外線輻射能量。通過量子轉換,將253.7nm紫外線輻射轉換為可見光

三、螢光燈管光衰現象及光通量維持率

(一)、螢光燈管光衰現象：

從螢光燈管放電發光原理可知,螢光燈管放電發光的過程,是一個能量轉換的過程。即通過氣體電離和量子轉換,將電能轉換成光能。

由於螢光燈管,所採用原材料的技術品質和螢光燈管生產的技術工藝,以及驅動螢光燈管的電功率源的技術參數,等等技術因素的差異。不同生產廠家生產的螢光燈管,其將電能轉換成光能的效率(即：光效)是不一樣的。同一根螢光燈管,在其初始階段和啟輝點燃一段時間後,將電能轉換成光能的效率(即：光效),也是不一樣的

螢光燈管,這種初始階段和啟輝點燃一段時間後,將電能轉換成光能效率(即：光效)的差異變化,我們稱之為螢光燈管的光衰現象。

螢光燈管光衰現象的實質,是螢光燈管光效降低。

(二)、螢光燈管光通量維持率：

為直觀描述螢光燈管光衰現象,我們引入光通量維持率的概念。光通量維持率是一個純數字物理量,它表徵的是螢光燈管,在一個規定時間(X小時)內光衰的程度。其數學運算式為：

X小時光通量維持率=規定時間的光通量•••初始光通量•••100％

螢光燈管光通量維持率越高,螢光燈管技術品質越高,性能越穩定。

在現階段,各螢光燈管生產廠家,由於所採用的原材料技術品質和生產工藝技術水準差別較大。市場上的螢光燈管,光通量維持率差別懸殊。有的螢光燈管,在100小時的光通量維持率僅為85％。更有甚者僅為80％以下。有部分技術品質較好的螢光燈管,2000小時的光通量維持率在85％左右。只有少數具有技術勢力的生產商的螢光燈管,10000小時的光通量維持率可達90％。

四、螢光燈管光衰現象的技術機理

螢光燈管產生光衰現象的技術因素,主要來自於原材料技術品質、生產工藝技術水準、實際使用中驅動功率源技術性能優劣三個方面：

(一)、原材料的影響機理：影響螢光燈管產生光衰的主要原材料有：玻璃管,燈絲與電子粉,發光螢光粉。

1、玻璃管：玻璃管中的金屬納離子,在高溫和交變電場作用下。從玻璃晶體中游離出來,與螢光粉晶體顆粒結合。在螢光粉晶體顆粒表面產生金屬納汞臍,使螢光粉晶體顆粒表面黑化。降低量子轉換效率,產生光衰。

在高溫和交變電場作用下,汞氣體中的汞離子猛烈撞擊玻璃管,浸入到玻璃晶體中。致使玻璃晶體黑化,降低了玻璃管的透光能力,增大了玻璃管對光的吸收量。使螢光燈管產生光衰,點燃溫升提高。

2、燈絲與電子粉：燈絲有：雙螺旋,三螺旋和主輔式等多種。燈絲經過酸溶液去芯絲,燒氫定型後,採用電泳法在燈絲上沾敷電子粉。爾後,進行分解、啟動,使電子粉三元碳酸鹽,還原產生金屬氧化物：氧化鋇、氧化鍶、氧化鈣。

在實際點燃中,螢光燈管中的汞離子和電子。通過交變電場加速賦予能量,交替轟擊燈絲與其金屬氧化物。致使燈絲與其金屬氧化物濺射變高,產生嚴重的金屬離子濺射與蒸發。在玻璃管表面和螢光粉晶體顆粒表面,形成黑色金屬塗層。降低螢光粉量子轉換效率和玻璃管透光能力,螢光燈管產生光衰。

3、發光螢光粉：從螢光燈管放電發光原理可知,螢光燈管是靠發光螢光粉,吸收253.7nm的紫外線輻射能量。通過量子轉換,將253.7nm紫外線輻射轉換為可見光而發光的。

發光螢光粉在量子轉換中,一是耐受著強烈的汞離子和電子的交替轟擊；二是承受著185nm短波紫外線能量輻射(與253.7nm的紫外線輻射同時產生)。

汞離子和電子交替轟擊,以及185nm短波紫外線能量輻射。會破壞螢光粉晶體陣列,加大對253.7nm的紫外線輻射的反射量,降低對253.7nm的紫外線輻射的吸收能力。大大降低量子轉換效率,降低光通量輸出。螢光燈管產生嚴重光衰。

(二)、生產工藝技術的影響機理：生產工藝技術對螢光燈管光衰現象的影響,主要產生在兩個生產環節上。即：燈絲生產過程和螢光燈管生產過程。

1、燈絲分解處理和啟動處理的影響機理：燈絲定型塗電子粉後,需進行分解處理和啟動處理。以使其提高耐受汞離子和電子交替轟擊的能力。優化逸出功函數特性,以減少燈絲金屬離子的濺射和蒸發。

一是分解處理；將定型塗電子粉的燈絲,裝入玻璃管內抽真空。待達到一定真空度時,將燈絲通電加熱。使電子粉三元碳酸鹽：碳酸鋇、碳酸鍶、碳酸鈣。進行化學分解出CO2,並將其抽走。使電子粉三元碳酸鹽,生成金屬氧化物：氧化鋇、氧化鍶、氧化鈣。

分解處理要求,排氣徹底,真空度高,沒有殘留。

二是啟動處理；在分解處理的基礎上,繼續通電加熱,進一步排氣。在控制的溫度和時間內,燈絲達到一定的溫度。三元碳酸鹽生成的金屬氧化物原子被啟動,將氧化鋇還原產生金屬鋇。

通過上述分解處理和啟動處理工藝後,燈絲具有較低的逸出功函數值,金屬離子濺射與蒸發量大大減少。

如在分解處理和啟動處理工藝中,排氣、加熱技術控制不嚴。真空度和溫度達不到規定值,將會嚴重影響燈絲的技術品質。

2、螢光燈管生產工藝技術的影響機理：

螢光燈管生產主要有：塗粉、排氣與充氣、烤管三個環節。每個環節控制的嚴格與否,對螢光燈管的光衰現象影響都很大。

(1)、塗氧化物保護膜：螢光燈管塗粉前,先在玻璃管內表面上,塗一層透明的氧化物保護膜。這種保護膜工藝,可以阻止玻璃管內的鈉離子游離出來,又可以防止汞離子浸入玻璃中。避免螢光粉晶體顆粒表面黑化和玻璃晶體黑化。

不採用塗氧化物保護膜工藝的螢光燈管,螢光粉晶體顆粒表面黑化和玻璃晶體黑化嚴重。光通量在很短的時間內,就能降低到初始光通量的85％以下。

(2)、選用非離子型塗粉粘結劑：螢光燈管塗粉粘結劑有兩種：一種是硝化棉加醋酸脂混合液。另一種是非離子型高分子聚合物――聚氧化乙烯。

採用硝化棉加醋酸脂混合液,做為塗管粘結劑。烤管溫度高達800K,粘結劑才能氧化分解。如烤管溫度不夠或時間過短,塗管粘結劑未能充分徹底分解。有機化合物會在螢光燈管點燃過程中進行分解,在螢光粉表面形成吸光薄膜。影響螢光粉吸收253.7nm的紫外線輻射能量的能力,造成螢光燈管的光衰。

採用非離子型高分子聚合物――聚氧化乙烯,做為塗管粘結劑。烤管溫度低,290K粘結劑就能氧化分解。非離子型粘結劑,從高分子聚合物很快分解成單體,以氣體形式跑掉。保證在烤管階段將粘結劑全部分解掉。避免在螢光粉表面形成吸光薄膜產生光衰。

(3)、排氣與充氣：螢光燈管排氣要徹底,真空度高,沒有殘留。螢光燈管充氣,氬氣中不能含有H2O,以免H2O在螢光粉表面形成吸光薄膜。影響螢光粉吸收253.7nm的紫外線輻射能量的能力,造成螢光燈管的光衰。

(4)、烤管：螢光燈管烤管溫度和時間,要嚴格控制。以保證塗管粘結劑分解徹底,沒有殘留。

(三)、驅動功率源的影響機理：螢光燈管在實際啟輝點燃時,從氣體放電發光理論來看,螢光燈管工作在弧光放電狀態。螢光燈管啟輝點燃的過程,實質上是一個由輝光放電迅速進入弧光放電過程。

如採用電感鎮流器 ,或技術性能低劣的電子鎮流器。燈絲未加熱或燈絲雖有加熱,但尚未達到足以大量發射電子的溫度：1000K。強行啟輝點燃,實質上延長了,在燈絲附近產生輝光放電的時間,加大了由輝光放電迅速進入弧光放電過程。致使燈絲產生嚴重的金屬離子濺射,在玻璃管表面和螢光粉晶體顆粒表面,形成黑色金屬塗層。降低螢光粉量子轉換效率和玻璃管透光能力,螢光燈管產生光衰。

五、結論