Ⅰ 概述

　　對于商用充氬金鹵燈[1]，其啟動過程通常都被描述為是首先產(chǎn)生低氣壓氬—鎢輝光放電，由于電極是一對直徑較細的鎢棒，回路阻抗很小，啟動后電流迅速增大，電極上的電流密度很大，電極迅速加熱，陰極的電子發(fā)射迅速從輝光放電的二次電子發(fā)射轉(zhuǎn)化為熱電子發(fā)射，同時放電模式相應(yīng)轉(zhuǎn)化為低氣壓、熱陰極弧光放電，此時放電壓降由低氣壓的氬、汞混合氣形成的低氣壓弧光放電決定，通常在15伏左右。隨著汞及隨后金屬鹵化物的蒸發(fā)，放電逐步轉(zhuǎn)入高氣壓弧光放電，燈壓降亦隨之相應(yīng)升高。

　　在前述放電發(fā)展過程中從放電起始到輝光放電建立的第一階段是由觸發(fā)脈沖完成的。隨后從輝光放電向弧光放電過渡的初始階段，在放電壓降仍高于電源電壓的情況下其發(fā)展仍需靠觸發(fā)脈沖支持。當放電發(fā)展到電弧壓降低于電源電壓以后，其繼續(xù)發(fā)展直到穩(wěn)定弧光放電的建立則是由點燈電源自動完成的。放電發(fā)展的前期過程持續(xù)在毫秒量級，所以觸發(fā)脈沖持續(xù)時間至少需能滿足前期放電發(fā)展過程的需要，否則將不可能建立穩(wěn)定的弧光放電。在高壓觸發(fā)脈沖寬度不夠的情況下放電電流將不可能持續(xù)增加，陰極將不能升溫到產(chǎn)生足夠熱電子發(fā)射的程度，弧光放電將不可能建立。因此此類放電的建立對觸發(fā)脈沖寬度有一定要求，否則放電一閃即滅。多種型號觸發(fā)器之所以不能可靠地觸發(fā)金鹵燈，大部分不是由于脈沖幅度不夠，而是脈沖寬度不足以保證每次觸發(fā)都能使放電發(fā)展為穩(wěn)定的弧光放電所致。

　　上述放電發(fā)展過程適用于高壓汞燈、高壓鈉燈、商用金屬鹵化物燈以及超高壓汞燈等初始氣體壓力較低的弧光放電燈，但對于初始氣壓很高的燈種如高氣壓脈沖氙燈，充有高壓氙氣的金屬鹵化物燈等的放電發(fā)展過程將完全不同。

　　Ⅱ 流光放電過程

　　氙氣金鹵燈中的冷態(tài)氙氣壓力在6個大氣壓以上，這種狀態(tài)下氣體的擊穿電壓約數(shù)萬伏(例如車用氙氣金鹵燈中要求的氣體壓力為6大氣壓，相應(yīng)的觸發(fā)電壓為23KV)。這種狀態(tài)下輝光放電擊穿理論已完全不能適用，這時的放電發(fā)展過程與大氣中雷電的形成過程相似[2]。

　　雷電形成區(qū)域通常在離地面5KM以下的低層空間，這一范圍的氣壓在0.8~1大氣壓之間。雷電的形成過程可以由所謂流光放電理論說明。在二片帶不同電荷的云層之間或帶某種電荷的云層與地面或地面的突出物之間可能出現(xiàn)數(shù)十萬伏以至數(shù)百萬伏的電位差，形成很強的電位梯度。這時空間出現(xiàn)的或從負電荷云層中發(fā)射的電子向正電荷云層加速運行時在強電場作用下，在高密度介質(zhì)中將產(chǎn)生強烈的激發(fā)和電離并按雪崩規(guī)律迅速發(fā)展形成放電通道。這種放電通道頭部為密度很高的電子云，并快速向正電荷云推進，同時產(chǎn)生大量激發(fā)、電離并向四周輻射光子。所輻射的光子在離開放電通道后或遠或近的地方可能產(chǎn)生光電離或光激發(fā)。

　　在快速發(fā)展的放電通道背后質(zhì)量較重、速度較慢的正離子將停留在空間形成充滿正電荷的通道，在該通道形成過程中強烈的電離激發(fā)使通道周圍或遠或近處產(chǎn)生的大量新的光電子，這些光電子在放電通道中的正電荷或正電荷云的加速下發(fā)展為新的次級雪崩放電，其中較近的將很快歸并到主放電通道中，使主通道迅速加寬、加強。較遠的次級放電則向主通道發(fā)展，最后形成放電分支(Fig.1)。負云層中的大量負電荷則涌向正電荷通道，快速向正電荷云層推進而更加速了放電通道的發(fā)展。當放電通道貫穿了二個云層之間或該云層與地面之間的空間時，則強烈的放電過程立即通過放電通道發(fā)展，云層所攜全部電荷瞬間釋放，形成了數(shù)萬度以上的高溫通道并伴之以強烈的氣體膨脹，出現(xiàn)了強烈的電閃雷鳴。由此可見雷電發(fā)展過程可分為二步，第一步是放電通道的建立，該步驟是由串聯(lián)并聯(lián)在一起的大量雪崩放電完成的，第二步則是大量電荷通過放電通道的釋放，這取決于積聚的電荷量與通道狀態(tài)。

　　由對雷電發(fā)展過程的描述可以清楚看出這種高氣壓放電的擊穿過程與輝光放電的雪崩過程是完全不同的，如所周知輝光放電的發(fā)展是靠電子雪崩產(chǎn)生的離子回到陰極再產(chǎn)生新雪崩放電在放電，由于每次雪崩產(chǎn)生的離子均比上一個雪崩多，從而使雪崩放電不斷加大，如此反復(fù)多個周期，最后達到了放電自恃的條件γ(eαd—1)=1 [з]，這時就形成了穩(wěn)定的輝光放電，這里γ是正離子的二次電子發(fā)射系數(shù);α是湯生第一電離系數(shù)、即在該放電條件下一個電子在陽極方向每前進1cm所產(chǎn)生的電離次數(shù)，α與氣體種類有關(guān)，電場愈強氣體粒子密度愈高、α值愈大，對于一定的氣體α為E/P的函數(shù);d為陽極和陰極間的距離。

　　雷電的發(fā)展是比輝光放電要強烈快速得多的過程，這是由于在高氣壓下的電子雪崩過程以及高電壓、強電場條件下產(chǎn)生的強烈激發(fā)和電離特別是所產(chǎn)生的大量光子在周圍甚至在前進途程中不斷產(chǎn)生的新的大量次級電子雪崩匯合形成的。這一過程的前提是很強的電場和很高的氣壓，其特點是在一系列由光子產(chǎn)生的串連的電子雪崩過程完成后立即完成了云層之間或云層與地之間高導(dǎo)電率的放電通道的建立。在隨后的強烈電荷釋放過程中，巨大的數(shù)十萬乃至數(shù)百萬安培電流瞬間通過、使氣體迅速加熱到數(shù)萬度以上高溫，伴之以強烈電離激發(fā)和爆炸式的氣體膨脹，而導(dǎo)致驚人的電閃雷鳴的第二階段放電。第二階段的前提是云層自身攜帶的巨大電量或大地提供或接受電子的幾乎是無窮的能力，第二過程的發(fā)展比第一階段的發(fā)展更快得多。

　　根據(jù)測量結(jié)果分析[2]雷電中電子雪崩過程持續(xù)時間通常在10-3秒量級而電荷釋放過程則在10-6秒范疇，由于雷電通道很長，通常達數(shù)十米至數(shù)百米甚至更長，前者發(fā)展速度高達1×107~5×107cm/秒而后者推進速度則在108~109cm/秒范圍。

　　Ⅲ　高氣壓氙氣金鹵燈中的擊穿過程

　　車用氙氣金鹵燈中冷態(tài)氙氣壓力約6大氣壓，在這樣高的氣壓下其擊穿不可能按輝光放電過程發(fā)展，采用照明金鹵燈的常用啟動方法決不可能使車用氙氣金鹵燈點燃。點燃氙氣金鹵燈時是將一脈寬數(shù)百納秒、幅值23KV的高壓觸發(fā)脈沖加到燈的電極之間，這一脈沖的出現(xiàn)使距離為4.2mm的兩根針狀電極之間出現(xiàn)106V/cm以上的強電場，如所周知在如此強的表面電場作用下，金屬表面勢疊變狹，隧道效應(yīng)將引起極強的場致發(fā)射，場致發(fā)射密度高達106安/cm2以上。場致發(fā)射屬于冷發(fā)射，發(fā)射密度雖大，但不消耗能量、也不損傷陰極，這就是這種燈在進行了10萬次以上的開關(guān)試驗后性能基本不變的原因。

　　在觸發(fā)脈沖出現(xiàn)瞬間高密度場致發(fā)射的電子流在強電場作用下迅速涌向正極，由于這時空間的電位梯度很高，即使在如此高的氣壓下E/P值仍然很大，湯生第一電離系數(shù)α值很大，加以氙氣壓力比雷電形成的空氣壓力高很多倍，而氙氣又比空氣更易激發(fā)和電離，更為突出的是這里的雪崩式放電不是由少數(shù)原始電子引起，而是由密度很大的場致發(fā)射電子同時推進的幾乎是爆發(fā)式的雪崩放電。因此高壓氙燈中的放電發(fā)展速度比雷電發(fā)展速度更快，數(shù)百ns的脈沖持續(xù)時間足以使距離不過4.2mm的整個放電通道擊穿，并迅速形成穩(wěn)定的放電電弧。

　　Ⅳ 車用氙氣金鹵燈著火過程及特性的實驗研究

　　ECE.R.99對車用氙氣金鹵燈著火過程速度的要求非常苛刻，該標準規(guī)定為點火1秒時光通輸出需達目標值的25%，而4秒時需達目標值的80%以上。

　　這樣的光通上升速率必須有燈參數(shù)及鎮(zhèn)流器性能的雙重保證，最關(guān)鍵的兩個因素是：燈中充入了高壓氙氣，這使觸發(fā)過程變得很短，而且觸發(fā)一旦完成立即進入高氣壓弧光放電，燈的輸入功率迅速加大，從而加速了泡殼的溫升和汞及金屬鹵化物的蒸發(fā);第二個重要因素是在啟始階段鎮(zhèn)流器輸出超大電流，使燈功率超過正常值數(shù)倍而加速燈的溫升。這兩個因素的結(jié)合保證了車用氙氣金鹵燈的溫升速度滿足了ECE99法規(guī)的要求。當然電弧管的形狀和體積對燈的溫度速升也有重要影響。以雪萊特品牌鎮(zhèn)流器與雪萊特氙氣金鹵燈匹配測得的光通上升曲線示如圖2，該曲線共包括5000個測試點，測試點的取樣間隔可以調(diào)節(jié)，總的測試時間為取樣間隔×5000。圖3曲線的總?cè)訒r間為40S。由圖可見在曲線的起始部分尖峰(線段1)上反應(yīng)了觸發(fā)瞬間的放電發(fā)展和閃電式的明亮，觸發(fā)過后轉(zhuǎn)入穩(wěn)定的高壓氙的弧光放電(線段2)，隨著電弧管的溫度上升和汞蒸發(fā)、電弧管壓降增加、輸入功率加大、光通量上升、因而出現(xiàn)了上升的線段3。在電弧管溫度升高到400℃左右時汞的快速蒸發(fā)使放電迅速轉(zhuǎn)化為高氣壓汞放電，因而出現(xiàn)了線段4的上升。在電弧管溫度升高到600℃以上時，金屬鹵化物開始蒸發(fā)并參與放電發(fā)光這時就出現(xiàn)了線段5的情況。

　　如前所述電子鎮(zhèn)流器在觸發(fā)初期輸出一超大電流使燈加速溫升，經(jīng)數(shù)秒鐘當燈壓降上升到接近穩(wěn)定壓降時、燈電流將自動降低到正常值。隨著燈電流下降，燈功率和光通量亦隨之降低并趨向穩(wěn)定值，這就是線段6和線段7所表明的情況。

　　采用測試圖2溫升曲線的同一組燈和鎮(zhèn)流器，縮短采樣間隔，將總掃描時間縮短為4S時(即只測Fig.2的溫升曲線的1、2、3線段)所得曲線示如Fig.3，由圖可以清楚看出該三階段溫升趨勢的截然不同。顯然起始的峰值是氙氣擊穿產(chǎn)生的尖峰，但在持續(xù)不足100ms以后立即進入穩(wěn)定氙氣弧光放電，光通量隨放電電流的增加以及汞的微量蒸發(fā)而上升，出現(xiàn)低平線段2。由于電弧管壁溫度的繼續(xù)上升汞汽壓力加大，電弧壓降逐步升高，放電模式從氙氣放電轉(zhuǎn)化為高氣壓汞氙弧光放電，燈的輸入功率以及輸出光通量均相應(yīng)上升(線段3)，這三步過程總共持續(xù)約2S左右，經(jīng)過這三個階段的放電發(fā)展，管壁溫度已經(jīng)較高，引起汞的快速蒸發(fā)，放電轉(zhuǎn)為高氣壓汞汽放電，光通量再次上升，在放電發(fā)展到約4S時，輸出光通量已能滿足標準要求。

　　仍用同一組鎮(zhèn)流器與燈泡進行測試，進一步縮短采樣時間間隔，使總讀數(shù)時間縮短為0.4S，則得Fig.4所示曲線，該曲線實際上是Fig.2，F(xiàn)ig.3上線段1和線段2的前一部分的展開，由Fig.3、Fig.4可見在主峰1前沿還存在一預(yù)峰8，峰8的上升前沿(約8ms)實際上是觸發(fā)脈沖的反應(yīng)。在峰8頂點整個觸發(fā)過程已經(jīng)結(jié)束，隨后的下降則是由于脈沖消失所致。隨著放電的發(fā)展和加強，高壓觸發(fā)脈沖形成的放電和所形成的浪涌電流產(chǎn)生了一個涌浪式光脈沖，整個光脈沖的持續(xù)時間約100ms即進入了相對穩(wěn)定的高壓氙氣弧光放電，在相對穩(wěn)定的約1S以后汞的蒸發(fā)和隨后的金屬鹵化物的蒸發(fā)引起了一個接一個的如前所述放電發(fā)展階段。

　　Ⅴ 高氣壓氙氣金鹵燈的熱啟動問題

　　通常高強度放電燈的熱啟動是一個難以解決的問題，因為熱態(tài)電弧管中有幾個或幾十個大氣壓的Xe、Hg或Aa及其它金屬鹵化物蒸汽，沒有上萬伏的電壓很難使這樣的燈重新著火，而觸發(fā)器只能產(chǎn)生3KV左右的脈沖電壓。

　　人們對汽車用前照燈的要求是即點即亮而不管熱態(tài)還是冷態(tài)，車用氙氣金鹵燈必須滿足這一要求，否則將無法應(yīng)用。因此設(shè)計者采用了23KV的高壓觸發(fā)脈沖，即使在熱條件下燈中有高達數(shù)十氣壓的氣體和蒸汽，如此高的觸發(fā)電壓和強電場所產(chǎn)生的高密度場致發(fā)射將輕而易舉地使熱態(tài)氙氣金鹵燈擊穿。車用氙氣金鹵燈的熱啟動標準為：在點燃15分鐘后熄滅10秒鐘重新點燃，要求1秒時光通輸出為2629lm達到目標值的80%。

　　Fig.5表明了高壓氙氣金鹵燈熄滅后經(jīng)5秒鐘后重新觸發(fā)的光通變化曲線，由于這時燈中氣壓幾乎未變化，重新著火后燈壓降及其他參數(shù)幾乎仍保持原先狀態(tài)，不出現(xiàn)明顯的重新著火過程，燈點燃后光通量也迅速恢復(fù)到熄火前的數(shù)值，F(xiàn)ig.5的總?cè)訒r間為4S。Fig.6則是按標準要求測試結(jié)果，曲線表明該燈與鎮(zhèn)流器的組合在熄滅10s重新點燃后1秒鐘達到標準值的82%。該曲線全部取樣時間為40秒。Fig.7則是燈熄滅15s后的再啟動特性，全部取樣時間為0.4秒，這時有一個明顯的重新著火過程，而且光通的重新上升也比較緩慢，除啟動過程比冷啟動過程提前加快而外，F(xiàn)ig.7的曲線與Fig.4的冷態(tài)啟動曲線是相近的。