CN88102517A - 气体放电灯 - Google Patents

Abstract

本发明金属蒸汽气体放电灯，它包括一个装在玻壳内并在两个电极之间延伸的放电腔，上述放电腔内充满惰性气体，玻壳的内壁涂上一层单基色型或一层多基色型荧光物质，其特征是在玻壁和荧光物质之间提供一层保护层，该保护层由硫酸钡或硫酸钡和高度分散的非晶体二氧化硅的混合物组成。

Description

本发明涉及一种金属蒸汽类的气体放电灯，例如荧光灯，该灯有一个两端熔封上电极的管状玻壳或放电管，以及在管中通过放电在电极间形成的阳极柱，在上述阳极柱内激发出金属蒸汽离子，并发出紫外光。放电管内壁涂一层阻挡层作为保护，以防止紫外线穿过覆于管内壁的荧光粉或发光粉层。

大家知道：放电灯的有效光输出会随灯使用寿命（即点燃时间）逐步降低。这关系有时称作流明维持关系。这方面的实验证明：放电灯玻壁上呆着的各种物质：发光粉颗粒、汞、电极装置均会与灯气氛内的各种气体杂质（例如，氮、一氧化碳、二氧化碳、水和碳氢化合物）之间发生相互作用，从而对灯亮度产生不良影响。上述物质相互作用可引起多种化学反应，从而会

-减少发光粉的物理效率;

-降低放电管通过可见光的能力;

-污染灯内气氛，随之影响灯的光特性和灯的有效光长度。

气体放电灯，例如荧光灯，其中放电管或玻壳为碳酸钠玻璃，玻壳内装有汞、荧光粉、发射物质、惰性气体充填物和各种气体杂质，构成了一种化学的强反应系统。因此，通过放电机构产生的化学反应物会参与许多不同的反应过程，并常影响这些反应过程的速度和平衡状态。最近几年，出现向较小直径放电管转变会导致放电管单位玻璃面积上的壁负载加重。因此，产生的富能紫外光（波长为185纳米）相对于激发辐射（波长为254纳米）的比例有所增加。该种高强度185纳米紫外光是由于放电管阴阳极之间延伸的阳极柱所形成的等离子体内电子温度高而造成的，从而导致出现富能化学反应物。

显然，在直径逐步缩小的放电管或玻壳的制造中，逐渐提高的要求就落在灯结构上，要考虑选用能承受较高强度紫外光造成的化学破坏的那些元件。在这些小直径灯中，尤其是汞原子，当激发到6¹P₁（6.7e电子伏）量级时就对某种发光粉构成威胁，这时，发光粉的晶格或活化中心与大于1.5波林（Pauling）单位的电负性正离子结合起来。如所周知，被激发的汞原子在室温就与氧原子按下式反应：

反应产物是氧化汞，氧化汞以有色光吸附层形式凝结在灯放电室的各个部位，主要凝结在处于法拉弟暗区周围区的发光粉层上，该处有相当多的正和负载流子（尤其是，Hg⁺、Hg⁺ ₂O^-）。

会使灯亮度下降的别的因素是紫外辐射的干扰及汞原子与放电管玻壁附有物质的反应。大家知道，不同牌号波璃对富能辐射有不同的敏感度。这种现象称为光致亮度减小现象，该现象是玻璃中的各种原子（常是氧化物中的金属离子）之间光化学诱发的氧化还原反应（电子转移）的结果。这些光化学过程常使玻璃颜色变化（变色作用），随后对可见光的透过性降低。紫外辐射和玻璃的相互作用，有时也会使汞原子第二次牵连进产生别种光吸收化合物（例如HgS）的过程中去。

在汞放电灯取得进展的年代里，发表了许多文章，其中讨论了有关结合在玻璃放电管内的能形成汞合金的那些原子与汞起反应的问题，还讨论了与生成的反应物的光吸收特性有关的问题。

在灯的有效寿命各阶段形成汞合金的程度，主要取决于制造灯管壳的玻璃的成分及玻璃表面条件。在大约600℃炉中烘掉发光粉层中的粘结剂的制灯阶段，碱已从玻璃内部扩散出来，从而玻面被生成的汞合金反应物活化。着色到某种程度的碱汞合金的形成，例如：Na_nHg_m（n、m＝1-8），被认为是光反常衰减的原因之一。

因管经缩小（单位面积上的壁负载较高）产生光化学反应（光致亮度减小现象）及形成汞合金两者的危险变大，所以想把反应物尽可能分离开。适合于最佳光发射的那些发光粉（即三基色类发光粉），要想设置一层有效的阻挡层来防止汞合金形成，通常不能满足要求。产生最亮的光所需的最适粒度分布（2-8微米）会使粉层比较多孔，从而形成机械强度差的抗汞蒸气阻挡层。另外，由于相当粗粒的发光粉反射185纳米的紫外辐射甚差，并且对富能辐射的吸收也差，所以185纳米的紫外辐射基本上穿透过去。因此，大约50%的185纳米紫外辐射到达灯管壳的玻璃表面，以致引发各种化学过程或光化学过程。

放电管的效率，亦即与被消耗的能量有关的光发射量，全完视发光粉涂层而定。如果使产生的光尽可能有效，那么粉末晶体必须有要求的形状和尺寸。这方面的研究表明：晶体为片晶（5×20×2微米），可获最佳结果。然而，发光粉涂层的效率主要取决于涂层厚度。涂层太薄，则不是全部紫外辐射转为可见光。反之，涂层过厚的晶体将互相“遮蔽”，理想厚度被认为是3-4层上述类型和尺寸的晶体。

还知道，含有给定化学成份的发光粉涂层的气体放电管的亮度，会因发光粉涂层及玻壳中的物质间发生的反应而剧烈损失。在玻壳或放电管与发光粉涂层之间，一种对化学侵蚀和紫外辐射是稳定的阻挡层能良好地防止光损失反应。

DD229247号专利中描述了放电管涂覆这种阻挡层或保护层的方法。按公布的材料，放电管或玻壳的内表面利用水悬浮液介质覆上一层SiO₂。

SE8405741-3号专利说到一种阻挡层，它能减少发光物质进入放电管玻璃表面的危险，但在制管过程中，管子经反复热处理而变脆。据报，该阻挡层包括一种无色金属氧化物，其中有氧化铝、氧化硅和氧化钛。按US3544828号专利所述，这种保护阻挡层可由聚硅氧烷组成。

本发明的目的是对汞放电灯提供一种阻挡层或保护层，该阻挡层会有效地防止汞与灯放电管或管壳的玻璃中存在的能生成汞合金的碱金属起反应。另一个目的是提供一种保护层，该保护层能防止发光物质中的物质和玻璃成份之间发生光化学反应。从而在灯的有效寿命期间，使光发射或亮度降低最少，特别在荧光粉涂层的粒度分布较窄时，保护层尽可能有效地有助于使紫外辐射变成可见光。该保护层还能防止导致光致亮度减小现象的那些反应，亦即在玻璃放电管或玻壳表面上生成多种有色生成物的离子氧化反应和还原反应（有色生成物本身能吸收某些波长可见光）。因此，本发明的综合目的包括：按本发明构成的气体放电灯不像通用气体放电灯那样具有光发射降低现象。这就制成了具有下列权利要求中的那些特性的气体放电灯。

装有本发明放电管的气体放电灯长时间试验表明：由于发光物质老化而使光发射或亮度的降低常比予期的小些。

这是由于管子放电室构成的系统的总反应性降低。这能使保护层中被反射的激励辐射在发光粉层中多次反射，从而，紫外辐射得到充分的利用。

我们知道，气体放电灯的最大光发射只有满足一些互不相同的参数才能达到。这样的参数之一就是荧光粉层颗粒尺寸，固定方法，表面重量等的最佳数值选定。借助光学模型进行试验以说明荧光粉层中产生的光的传播。这些试验表明：产生的光只有35%立即辐射出去，而上述光的65%在激发前马上在灯内反射。

图1说明放电管（管子左半部有保护层，而右半部没有）中光产生和光传播的模型。在图中参照号1表示玻璃放电管或玻壳，参照号2表示保护层，参照号3表示荧光粉涂层。标有I的箭头表示穿入粉层的光线，标有U的箭头表示从灯里辐射出去的光线，标有R的箭头表示反射光线。

图2表示光波长和减缓率的关系由线，亦即慢射粒子粒度与反射的关系。每一条曲线表明保护层组成，即曲线a为0.1BaSO₄+0.9SiO₂，曲线b为BaSO₄。

图3表示初始点燃时的流明值（LO%）和发光粉用量（36W管所用g数）或单位面积的用量（毫克/厘米²）之间的关系。由图可见：分别覆BaSO₄保护层BaSO₄和SiO₂保护层曲线b）的放电管的最大流明值移向发光粉层重量较轻侧。加保护层能使流明值增加大约2.0%，而保护层重量比未加保护层的参比管（曲线a）中的表面重量大约低10%。

图4为无保护层的36瓦管（曲线a）和有保护层的36瓦管（曲线上）亮度值的衰减曲线。每条曲线代表30只放电管，曲线清楚表明，保护层对光产生的影响，亦即在零小时流明值较高，在灯的有效工作时间内，亮度稍减小。在2000小时后，流明值差大约4%。计算得知，在10000小时点燃时间内，流明值减小到8%以上。从延长放电管使用寿命来看，采用本发明的保护层是特别诱人的（实用寿命＝27000小时）。

本发明的实验支持基于在一段较长制造期内制造了大量的灯。在每个试验组中，加保护层或阻挡层的放电灯与没加这种保护层的管子都混在一起，这样，灯的制造条件就可尽可能一致。

按本发明，保护层组成如下：晶体细晶粒硫酸钡（晶粒尺寸30-200纳米），50-150纳米最佳）或这种硫酸钡和非晶体高度分散的二氧化硅（粒度5-30纳米，10-20纳米最佳）的混合物，层厚（每单位表面的重量）为0.03-0.5毫克/厘米²（0.06-0.20毫克/厘米²最佳）。

用分散良好且稳定的硫酸钡水悬浮液或用（BaSO₄）_n+（SiO₂）_m（n＝0.1-0.9，m＝1-n）水悬浮液浸润管子的内表面，即把保护层加到放电管的玻面上。悬浮液的特点是，至少含90%厚粒度的色料，而且悬浮液长期保持稳定，亦即悬浮液的再凝聚度低。先用去离子水或蒸馏水制备浓悬浮液，内含保护色料、粘结剂-例如APMA（聚甲基丙烯酸铵）、表面活化物质。利用加有分散剂（例如，壬基酚-环氧乙烷缩合物，最好是市售商标为ETHYLAN-TU的缩合物）的胶体混合器将色料分散。用去离子水稀释上述浓悬浮液来制备保护层悬浮液。然后，使悬浮液流过玻璃表面，用温度60℃的热空气干燥，然后再涂覆发光粉层。

借助简单的涂覆法涂覆，上述悬浮液，提供附着的保护层，该保护层实际上是细孔的，而且与放电管的玻面附着良好。色料（BaSO₄或BaSO₄和SiO₂混合物）基本上以原来晶粒或颗粒形式被固定住。如果层厚0.12毫克/厘米²，粒度50-100纳米，那么颗粒分布在30-60层中，这些颗粒一起每平方厘米可提供10¹¹-10¹⁴个光散射中心。保护层摩尔组成为（BaSO₄）_0.1+（SiO₂）_0.9时，光散射中心数最多（＞10¹³）。

由于该保护层的组成和尺寸，该保护除了层防止灯亮度下降的保护功能处，还具有提高为光产生所须的紫外辐射利用率的光学效应。保护层的保护作用可分成两类：

1.机械阻挡作用，能阻止Hg^＊、Hg²⁺，在一定程度上还阻止紫外辐射到达放电管玻面。

2.光阻挡作用，能减缓紫外辐射，随之也使放电管玻面处发生的光化学反应减至最小。保护层提供的短波辐射的激发发射意味着可更有效地利用此激发辐射造成发光粉层中的多层反射。对于入射到粉层上的散射辐射，利用瑞利方程能满意地描写述粉层的减缓特性。

I＝K·I_O· (V²)/(λ⁴)

I＝散射辐射强度

I₀＝入射辐射强度

V＝颗粒体积

λ＝入射辐射的波长。

减缓的辐射百分比随关系式1/λ⁴而变化，也即随波长的四次方减缓。波长愈短，减缓作用愈显著。这对辐射平衡是有利的，另外这对玻璃放电管提供了上述的光学保护，并使一部份激励辐射反射回发光物质，能使此辐射转变为可见光。图2说明保护层减缓不同波长辐射的能力。瑞利方程可用于粉晶粒或颗粒直径比辐射波长小的系统。在本文提出的密致的保护层能满足这个条件，该保护层的粒度分布每单位表面面积提供大量光散射中心。当短波辐射的减缓被增强时（例如被保护层增强），当185纳米辐射再加上254纳米的主激发辐射转变为可见光时，可改进灯的光产额。185纳米和254纳米辐射被发光物质吸收的程度取决于发光物质紫外范围内的减缓光谱。

各种发光物质在短波紫外光（＜200纳米）中的减缓特性和激发特性现今发表的研究表明：185纳米辐射发生在某些发光粉产生的光中。一个例子是在三基色粉中的辐射绿光成分CAT〔（Ce，Tb）MgAl₁₁O₁₉〕，该成分在整个紫外范围（从185-300纳米）具有强吸收和激发特性。例如在36W放电管中百分之几的185纳米紫外波长大约构成12%的紫外辐射。因此，有效地减缓185纳米波长和254纳米波长就可能使灯的光产额增加百分之几。这主要是指发光物质在185纳米紫外辐射下量子交换值相当高的情况，诸如CAT和某些卤代磷酸盐的情况。

Claims (8)

1、一种金属蒸汽类的气体放电灯，它包括一个装在玻壳内并在两个电极之间延伸的放电腔，上述放电腔内充满惰性气体，玻壳的内壁涂上一层单基色型或一层多基色型荧光物质，其特征是在玻壁和荧光物质之间提供一层保护层，该保护层由硫酸钡或硫酸钡和高度分散的非晶体二氧化硅的混合物组成。

2、按权利要求1的灯，其特征是硫酸钡为高纯晶体，晶粒度在30和220纳米之间，最好在50和150纳米之间。

3、按权利要求1或2的灯，其特征是二氧化硅的粒度在5和30纳米之间，最好在10和20纳米之间。

4、按上述权利要求的任何一条的灯，其特征是保护层的厚度为0.03-0.50毫克/厘米²，最好为0.06-0.20毫克/厘米²。

5、按权利要求3或4的灯，其特征是保护层包含（BaSO₄）_n+（SiO₂）_m，n＝0.1-0.9及m＝1-n。

6、按任一条上述权利要求的灯，其特征是形成保护层的95%的物质由原始晶粒组成。

7、按任一上述权利要求的灯，其特征是在上述灯的制造中用聚甲基丙烯酸铵作粘结剂，使保护层附着在放电管管壳的玻壁上。

8、按任一上述权利要求1-6的灯，其特征是在保护层中所用的粘结剂是一种防止凝聚的物质。

Images